Tunneling in Severe Groundwater Inflow Condition

지하수 과다유입 조건하에서의 터널굴착

For a hydro power plant project, the headrace tunnel having a finished diameter of 3.3 m was constructed in volcanic rocks with well-developed vertical joint and high groundwater table. The intake facility was located 20.3km upstream of the powerhouse and headrace tunnel of 20km in length and penstock of 440m in height connected the intake and the powerhouse. The typical caldera lake, Lake Toba set the geology at the site the caving of the ground caused tension cracks in the vertical direction to be developed and initial stresses at the ground to be released. High groundwater table(the maximum head of 20bar) in the area of well-connected vertical joints delayed the progress of tunnel excavation severely due to the excessive inflow of groundwater. The excavation of tunnel was made using open-shield type TBM and mucking cars on the rail. High volume of water inflowraised the water level inside tunnel to 70cm, 17% of tunnel diameter (3.9m) and hindered the mucking of spoil under water. To improve the productivity, several adjustments such as modification of TBM and mucking cars and increase in the number of submersible pumps were made forthe excavation of severe water inflow zone. Since the ground condition encountered during excavation turned out to be much worse, it was decided to adopt PC segment lining instead of RC lining. Besides, depending on the conditions of the water inflow, rock mass condition and internal water pressure, one of the invert PC segment lining with in-situ RC lining, RC lining and steel lining was applied to meet the site specific condition. With the adoption of PC segment lining, modification of TBM and other improvement, the excavation of the tunnel under severe groundwater condition was successfully completed.

본 논문은 수직 절리가 잘 발달된 지하수위가 높은 화산암질 지반에서 직경 3.3m의 도수터널 굴착을 하는 수력발전소 건설공사 내용이다. 취수시설은 발전소로부터 20.3km 상류에 위치하고 있으며, 20km의 도수터널과 연결되어 있고 440m의 낙차고를 갖는 펜스탁이 발전소와 연결되어 있다. 현장의 지질 조건은 전형적인 칼데라 호수인 토바호에 의해 지반 침식과 수직방향의 인장균열이 발달하였으며 이로 인해 지반의 초기응력이 이완되었다. 높은 지하수위(최대 수두 200m)를 가진 잘 발달된 수직 절리를 터널이 관통하면서 막대한 양의 지하수가 터널내로 유입되었다. 터널 굴착은 개방형 쉴드 TBM과 버럭반출에는 철로와 기관차를 사용하였다. 터널 내로의 유입수가 터널 바닥면에서 70cm 높이에 다다르고 이는 터널 직경(3.9m)의 17%에 해당하였다. 생산성을 향상하기 위해서 TBM과 버럭반출 차량과 같은 몇 가지의 개선과 수중펌프를 증설하는 방안을 사용하였다. 굴착 중에 만난 지반 조건이 설계보다 상당히 불량하여 RC라이닝에서 지하수 유입, 암반조건, 수압 등에 따라 PC 세그먼트 라이닝 또는 PC 세그먼트 라이닝과 현장타설 RC 라이닝, RC 라이닝, 그리고 강재 라이닝이 적용되었다. 이 PC 세그먼트 라이닝의 도입과 TBM과 다른 장비의 개조 및 개선을 통해서 심각한 지하수 조건 하에서 터널 굴착 공사를 성공적으로 완료하였다.