이완하중

왜 배우는가: 이완하중은 터널 라이닝과 지보재 설계에서 작용 하중의 크기를 결정하는 핵심 입력값이다. 암반 조건과 굴착 방법에 따라 산정 방식이 달라 실무에서 판단 근거가 되며, 시험에서는 Terzaghi 이론을 바탕으로 여러 산정법을 비교하는 형태로 여러 교시에 반복해 출제된다.

출제 이력: 제135회 2교시 5번, 제108회 1교시 4번, 제104회 2교시 3번, 제104회 3교시 1번, 제97회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 이완하중은 터널 굴착으로 주변 암반이 풀려 지보재에 작용하는 연직 하중이다.

핵심 키워드

• 이완하중(loosening load)
• 아칭효과(arching effect)
• 이완영역(loosening zone)
• 암반분류(rock mass classification)
• Terzaghi 암반하중
• 과굴착(overbreak)
• 지보재 설계하중
• 발파손상(blasting damage)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 터널을 파면 그 위의 암반이 풀려 떨어지려 한다. 이때 라이닝이나 지보재가 떨어지는 암반의 무게를 받는데, 이 무게가 이완하중이다.

정식 정의는 다음과 같다. 터널 굴착으로 주변 암반의 응력 평형이 깨져 이완영역이 생기고, 그 영역의 암반 무게가 지보재에 전달되는 연직 방향 하중을 이완하중이라 한다. 암반이 스스로 하중을 떠받치는 아칭효과가 살아 있으면 전달되는 하중은 줄어든다.

이완하중의 크기는 세 가지로 결정된다. 첫째는 이완영역의 높이와 폭이다. 둘째는 암반의 강도와 불연속면의 상태다. 셋째는 굴착 방법과 지보 시점이다. 이 세 요소가 나빠질수록 하중이 커진다.

과굴착도 중요한 항목이다. 발파로 설계선 밖의 암반이 깨지면 이완영역이 넓어진다. 블록성 암반에서 Terzaghi가 제시한 최대 예상 과굴착 범위는 0.25B~1.1(B+ht) 이다(B: 터널 폭, ht: 터널 높이). 이 범위는 블록의 크기와 이완 높이를 가늠하는 기준으로 쓰인다.

이완하중은 Terzaghi 압밀이론의 간극수압 개념과 달리, 암반의 불연속면 구조가 지배한다. 따라서 암반 조건을 먼저 분류하고 그에 맞는 산정식을 고르는 것이 설계의 출발점이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 터널은 강재 지보(steel set)로 지지했다. 이때 설계 하중을 정해야 했고, Terzaghi는 1940년대 알프스 터널의 시공 경험을 바탕으로 암반하중 분류를 제시했다. 이 방법은 강재 지보 시대의 경험식이다.

이후 숏크리트와 록볼트가 도입되면서 지보 방식이 바뀌었다. 지보재가 암반과 일체로 거동하게 되어 하중 산정 방식도 발전했다. Rose가 Terzaghi의 암반하중을 수정했고, Bierbaumer는 이론식을 제안했다. RMR과 Q-system은 암반 상태를 정량화하여 하중을 추정하는 방법으로 등장했다.

발파 굴착의 확산도 배경이다. 발파는 굴착 속도를 높이지만 암반에 손상을 준다. 발파손상이 크면 이완영역이 커져 하중이 증가한다. 그래서 발파 영향을 하중 산정에 포함하는 방법이 필요해졌다.

설계자는 여러 방법으로 하중을 구하고 비교한다. 그 결과로 라이닝 두께와 지보 패턴을 정한다. 이완하중 산정은 이 설계 판단의 근거가 되므로 실무와 시험 모두에서 중요하다.