붕락사고를 방지하고, 공기 단축 및 굴진율을 늘리기 위해 Shield TBM 공법이 많이 적용됨.
(지하철 5호선 NATM 붕락 등의 사례)
저소음, 무진동으로 Shield TBM 에 대한 요구가 커짐. (천층 터널, 토피고 1.0D 이상확보는 필요. 굴진율 5~10m/day)

지표침하의 종류 : 선행침하, 막장전 침하, 테일침하, Tail Void, 후속침하
침하의 손실량 측정 : 체적손실(Ground Loss) 0.5 ~ 2.0% 정도. Dilatancy 에 따라 줄고, 늘고 할 수 있음.

1.     Gap Parameter (수치해석법)
-       지표침하 발생량 추정 방법. (경험식으로 개략적인 범위와 경향을 예측할 수도 있음.)
-       Tunnel Crown 의 수직변위. 연약토사의 붕락여부를 확인하기 위함.
-       탄소성 변형을 통해 굴진장비, Lining 두께 등을 결정할 수 있는 기준이 됨. (지표침하의 원인, 초기응력 변화 추정 가능)

공간 : 설계단면 + 라이닝을 위한 여유 공간 + 라이닝 + Tail Piece 를 위한 여유 공간
Tunnel Shield Picthing 에 따른 Tilting 으로 변형 발생.
지보재 설치 전 비구속 변형에 따른 처짐을 측정.
변위제어모델 (Displacement Control Model)을 이용하여 지표침하량 추정 (2차원 수치해석)

지표 침하 : 얕은 토피고, 지반 불량, 진행성 파괴, 인접구조물
- 단기침하 : 응력해방
- 라이닝 변형 : 외력 및 수압에 의해 세그먼트 변형량 발생
- 지하수위 저하에 따른 압밀, 체적감소에 의한 침하

2.     Tail Void
굴착 진행 중 Tail 부에서 지보나 Segment/Grouting 설치 전 발생하는 공간 (굴착면과 세그먼트 사이)
여굴에 의한 원인, 막장면 손실 및 변형이 이어지는 것에 대한 원인
G = G tail void + 굴진면 변형 손실에 따른 움직임 + 굴진 방향에 따른 손실
G Tail Void 는 감소계수를 통해 조정 가능.
충전 필요.

3.     대책
A.     굴진제어 시스템에 의한 모니터링으로 최소화
B.      막장압 제어 관리
C.      모든 Gap Parameter 가 지표침하로 이어지는 것은 아니므로, 정확한 수치해석이 필요.



싱글 쉴드 TBM (Single Shield)
-       굴진면에 대한 지보시스템이 없는 전면 개방형 (Gripper, Segmental) 전단면 굴착

Segmental Shield 는 Gripper 가 없어 굴진과 Segment 설치가 동시에 불가능함.
-       Open TBM 에 shield erector 등이 추가된 모습
-       연약지반 안되고, 막장부 자립이 가능해야 함.
-       Double Shield (더블 쉴드)와의 차이
* Shield 가 여러개로 나눠지지 않는다.
* 유지관리가 간단하다.
* 후퇴공간이 필요없다.

세그먼트 안정성 검토

버력량 관리시스템

TBM 공법에서 세그먼트 나 NATM 에서의 라이닝

설계 흐름
1) 기하학적 결정 : 선형, 직경, 라이닝 두께, 폭
2) 지반정보
3) 단면
4) TBM 기계 데이터 : 길이, 구속압, 추진압, 그라우팅
5) 재료
6) 하중 : 토압, 수압, 시공하중
7) 모델 : 수학적/경험적/수치해석적
8) 계산 : 축력/모멘트/전단력/처짐/접합

설계하중
1) 주하중 : 토압, 수압, 라이닝 자중, 기타하중

2) 부하중 : 이렉터(erector) 하중, 설치하중, Jack 추진하중, 그라우팅 압력, 시공장비 하중
3) 지진하중 : 응답변위법, 진도법

구조계산
- 세그먼트 휨응력 계산
- 세그먼트 체결볼트 응력 계산
- 키(Key) 세그먼트 연결부 검토 (최상부나 측벽에 마지막에 끼워넣는


세그먼트 크기/연결/두께
1) 1.2m 길이, 1.2m 폭 정도로.
2) 곡률에 따라 다르고, 곡선부는 작게 하는 것이 유리
3) 강재/RC 의 비교
4) 주입공 필요.
5) 교차구조

6) 연결 : 장볼트, 직볼트 곡선볼트
7) Key Segment

8) 방수 : 코킹, 그라우팅, 개스킷(압축/팽창), Swellable Joint
9) 두께 : 8m 단면 기준 약 40cm. 직경의 1/20 정도로 경험적.

효율적인 터널 설계

1. 안정성 증대 : 단층, 편압, 지진, 수압 등에 안전한 터널. 시공실적, 해석실적이 검증된 설계.
2. 친환경 : 갱구부 절토최소화 설계, 발파진동,소음,수질오염 최소화, 민원 최소화를 위한 가시설계획 포함
3. 시공성 : 시공 난이도 고려, 문제점 제고, BIM 등 현장감 반영, 자연조건 순응 및 반영구적 구조물 계획
4. 유지관리 : LCC 최소화, 충분한 방수/배수 시스템, 유지관리 환경 최적화.

환기계획 및 설계

1. 고려사항
- 교통량, 선형, 주행속도, 기상, 터널의 길이
2. 소요환기량
- 대상오염물질 : 매연, 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)
- 차종별 기준배출량 기준 산출.
- 식을 외우기는 어렵고, m3/s km lane 이라는 단위만 기억하는걸로.

3. 오염물질 허용농도
4. 환기력 : 자연환기력, 교통환기력(차량의 피스톤효과)
5. 환기방식

종류식 : 차량 진행 방향의 기류, 교통환기력 유도, Duct 가 없다.
횡류식 : Duct 로 송기와 배기. 차도 내 풍량은 작다.
반횡류식 : 한쪽면에서만 Duct 적용 (송기 or 배기)

방재등급 구분
- 1등급 : 3km 이상
- 2등급 : 1~3km
- 3등급 : 500m ~ 1km

방재시설의 종류 (위험도지수의 기준 등급을 함께 고려함.)
- 피난설비 : 피난연락통로 1,2,3 / 비상주차대, 피난대피터널, 비상조명등, 피난연락갱(쌍굴터널 차단문 설치, 300m 이내)
- 소화설비 : 소화기구 30m간격 50m이내, 제연설비(환기설비) 필요시, 소화전 1,2, 연결송수관 1,2, 비상콘센트 1,2,3
- 경보설비 : 비상경보, 화재탐지, 비상방송 50m 이내, 긴급전화 250m 이내, CCTV 200~400m 간격, 라디오1,2,3,4, 정보표시판1,2, 진입차단시설 1,2
- 비상전원 : 비상발전, 무정전전원

터널 위험도 평가기준 (5등급, 위험도가 2를 초과하면 방재등급 1단계 상향)
- 연평균 일교통량 x 터널연장 (8~64)
- 경사도 1~3%
- 대형차 혼입율 10~25%
- 위험물 수송에 대한 규제
- 정체정도
- 통행방식 (일방, 대면)

방재시설계획

1. 연소방지시설 : 라이닝 불연재, 케이블 난연성
2. 차량통제시설 : CCTV 200m, 화재탐지, 비상전원, 피난유도
3. 비상연락장비 : 유선전화, 라디오 등
4. 대피통로 : 경사/수직터널, 피난갱,
5. 구조 : 콘센트 100m 간격, 안내표지, 이정표
6. 소방 : 소화기, 소화전 100m, 소화배관 6”, 방수구, 가압펌프
7. 제연/환기 : 제연커튼, 배연시설

굴착공법

1. 고려사항 : 지질구성, 터널선형, 터널 크기, 단면 형상, 시공성, 공사비 고려.
2. 종류 : NATM/NMT, Shield or TBM + NATM, ITC, road header

3. 굴착방식 : 전단면, Long/Short/다단 Bench, 가인버트, 중벽분할, Silot
4. 갱구부

5. 내진설계

기능수행수준은 구조물의 응답을 선형해석법을 이용하여 설계할 수 있다.
붕괴방지수준에서는 구조물의 응답을 비선형 거동특성을 고려할 수 있는 해석방법으로 설계한다.

(유의사항)
- 라이닝두께를 증가시키기 보다는 철근을 넣어 인성을 증가시킨다.
- 기둥은 압축/전단파괴보다 휨인장파괴가 먼저 일어나게 한다.
- 땅깎기 비탈면의 적당한 기울기를 확보하여 토류벽을 형성한 갱구부를 설계한다.
- 액상화 방지
- 이음부에는 강성이 작은 이음장치 설치

얼마나 단단한지
어떤 기계를 사용할지
어떤 비트를 사용할지

1. 정의 : 암석의 반발경도와 마모경도를 함께 고려한 정량적인 경도 수치로, 터널 굴착 등 암반지역 공사를 위한 자료로 이용된다. (기계굴착)

2. 합경도의 측정 및 계산
Ht = Hr x sqrt(Ha)
Hr : 반발경도 (Rebound Hardness) – Schmidt Hammer 를 이용한 비파괴 시험. 3cm 간격 격자 모양 시험 (4x5), 타격각도, 표면상태에 따른 보정
Ha : 마모경도 (Abrasion Hardness) – 시료를 회전시키면서 wheel 에 의해 마모되는 정도 확인.
(RIAT, Rolling Identation Abrasion Test, Rock Abrasivity Test) – Rolling wheel 의 무게, 파인(마모된) 깊이

3. 합경도의 활용
- TBM (Tunnel Boring Machine) 등 기계굴착의 장비 선정
- Disc Cutter, Bit, 회전속도 등. 기계굴착의 공기는 Bit의 유지관리 교체기간이 좌우하므로
- 공기 산정, Feasibility Study
- 다른 조사와의 종합적 판단
- RQD, RMR, Q-system 등과 함께 판단 (그림 하나 추가)
- 시험굴착을 통한 역해석(Back Analysis) 으로 확인.
- 유의 사항
- 조사 방법에 따른
- 해석에 따른
- Scratch Test 도 있음. (ISRM, International Society of Rock Mechanics)