병렬터널 필라 안정성

정의

병렬터널의 필라는 두 터널 사이에 남는 지반 기둥이다.

이 부분에는 응력이 집중되므로 그라우팅 등으로 강도를 높이고 안정성을 검토한다.

기술사 시험에서는 보강 방법과 응력 변화를 함께 묻는 문제로 반복 출제된다.

Mohr-Coulomb 파괴기준

필라 안정성은 측벽에 작용하는 응력이 지반의 전단강도를 넘지 않도록 확보하는 것이다.

전단강도는 Mohr-Coulomb 기준으로 점착력 c와 내부마찰각 φ를 써서 구한다.

응력원이 이 선에 닿으면 파괴가 일어나므로, 응력원이 포락선 안쪽에 있어야 안정하다.

필라 측벽 응력이 커지면 응력원이 포락선 쪽으로 이동해 안전율이 떨어진다.

단계별 응력 변화

필라 응력은 단계마다 달라지므로 Mohr 원의 위치를 단계별로 확인해야 한다.

원지반에서는 여유가 있지만, 선행터널을 굴착하면 측벽 응력이 늘고 구속이 줄어 포락선에 가까워진다.

필라 가압그라우팅은 측방 구속압을 높여 σ3를 키우고 원을 포락선에서 떼어 놓는다.

후행터널을 굴착하면 응력이 다시 늘지만, PC강선 프리스트레스로 압축이 더해진다.

굴착 순서는 선행터널 굴착, 필라 보강, 후행터널 굴착 순이 일반적이다.

필라 보강 방법

필라 보강 방법은 가압그라우팅, PC강선 프리스트레스, 필라 폭 확보로 나뉜다.

가압그라우팅은 필라의 강도와 구속압을 높이고, PC강선 프리스트레스는 필라를 횡방향으로 압축한다.

필라 폭 확보는 근본 대책이지만 기존 노선을 바꾸기 어려운 갱구부에서는 보강과 병행한다.

풍화토는 지하수 유입 시 전단강도가 급감하므로 배수를 먼저 한다.

시험 포인트와 흔한 실수

채점에서는 응력 변화를 단계별로 나눠 Mohr 원의 위치를 그렸는지 본다.

답안에는 원지반부터 프리스트레스 가압까지 여섯 단계를 모두 보여 준다.

가장 흔한 실수는 응력을 막연히 압력이 커진다고 쓰는 것이다.

보강 순서를 바꿔 쓰거나 보강그라우팅을 선행 굴착 뒤에 쓰면 감점되거나 오답이 된다.

직접 풀기

정리하면 필라 안정성은 전체 안전율과 국부 안전율을 함께 보는 것이다.

선행터널을 굴착하면 필라 측벽의 구속응력이 감소한다는 점을 기억한다.

이를 직접 적용해 보자.

정답과 핵심

정답은 감소다. 선행 굴착으로 측벽의 구속이 줄어 응력원이 포락선 쪽으로 이동한다.

필라의 파괴 여부는 구속 응력 회복량으로 판정한다는 점을 기억한다.