1. 서 론
2. 근접시공에 의한 안전성 평가 방법
2.1 근접 시공에 의한 영향
2.2 근접도 평가 방법
2.3 구조물 안전성 및 손상도 평가 방법
3. 근접시공 특성 및 근접도 평가
3.1 터널 설계 현황 및 특성
3.2 근접 특성 및 근접도 평가
4. 근접시공에 의한 기존 터널구조물 안전영향 평가
4.1 기존 지하철 터널 하부통과구간 본선터널의 안정성 평가
4.2 본선터널에 대한 안정성 검토
4.3 기존 지하철 터널과 지상 건물에 대한 안정성 평가
5. 근접시공에 의한 기존 지하철 터널 발파영향 평가
5.1 시험발파에 의한 발파진동식 산정
5.2 허용진동기준과 발파진동영향범위
5.3 보안물건에 대한 발파영향 평가
6. 결 론
1. 서 론
최근 도심지 구간에서의 수도권 급행철도사업와 인덕원∼동탄, 월곶∼판교 도시철도 사업 등과 같은 교통인프라 건설이 적극적으로 추진되고 있다. 또한 도시의 각종 기반시설 확충과 국토의 효율적인 활용을 위해 도로, 철도, 지하철, 전력·통신시설 및 수로시설 등 대심도 터널을 이용한 도심지 지하공간 개발이 더욱 확대되고 있다. 이로 인하여 지상 시설물과 지하 시설물 또는 지하 시설물 상호 간의 근접시공으로 인해 기존 시설물 또는 구조물의 안정성 확보여부가 중요한 관심사항으로서 시설물 관리자 및 거주민 등과 같은 이해 당사자의 민원이 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. 근접시공은 공사 정도가 난해하기 때문에 시공 진행에 따른 기존 구조물 및 주변 시설의 안전에 영향을 줄 수 있으므로 적극적인 대책이 수립되지 못할 경우 기존 구조물의 침하, 균열 및 누수 등 구조물의 안정성에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 시공중 발파 진동과 소음 등과 같은 환경성에 대한 문제도 기존 구조물뿐만 아니라 주변 건물에도 영향을 심각한 영향을 줄 수 있다. 따라서 근접시공시 구조물의 특징 및 주변지반 특성 등 을 상세히 고려한 설계 및 시공방법이 적용되어야 하며, 굴착으로 인한 지반이완 및 응력교란이 최소화될 수 있도록 구조물 간의 상호 간섭을 최대한 배제할 수 있는 대책공법을 계획하고 시공 중 발생할 수 있는 문제점에 대해 사전에 충분한 검토가 수행되어야 한다.
본 연구에서는 신설 터널공사에서 상부에 인접한 기존 터널 구조물이 위치하고 있는 경우 지반 굴착 및 터널공사에 따른 구조물 안정성에 미치는 영향을 해석적으로 상세 검토하였다. 검토 대상구간은 서울시 광역교통 개선대책으로 추진되고 있는 동북선 도시철도 터널 시공구간으로 기존 운행중인 지하철 6호선 터널 하부 통과구간이며, 신설 터널공사에 따른 기존 터널 구조물의 안정성에 미치는 영향을 구조물 손상도 및 궤도 안전성 평가 등을 통하여 구체적으로 검토하고자 하였다.
2. 근접시공에 의한 안전성 평가 방법
2.1 근접 시공에 의한 영향
동북선 도시철도 터널 굴착구간 상부에 기존 지하철 6호선 터널이 운영되고 있는바, 신설 터널 굴착에 따른 기존 터널 구조물에 미치는 영향을 최소화하기 위해 구조물 상호간 충분한 이격거리를 확보하거나 필요시 적절한 보강 대책공법을 반영하도록 하여 기존 구조물에 미치는 영향을 최소화할 수 있고 운영중인 구조물의 안정성을 영구적으로 확보할 수 있는 보다 철저한 안전관리 대책이 요구된다.
근접시공이 기존 구조물에 미치는 안정성은 지형, 지질 조건, 기존 구조물의 구조적 특성, 구조물 손상 정도, 공사 종류 및 시공방법 등의 다양한 조건에 영향을 받는다. 서울특별시 도시철도공사에서는 기존터널에 근접 시공할 경우 그 공사의 종류에 따라서 조건별 안전영역(safety zone)을 산정하였으며, 근접시공의 종류에는 터널의 병설, 터널의 교차, 터널상부의 개착, 터널상부의 성토, 터널상부의 구조물 기초, 터널 측부의 굴착, 터널근방의 앵커, 터널상부의 담수 및 지반진동 등으로 구분하고 있다. 도심지 터널공사에서의 근접시공은 가장 리스크가 큰 공사로서, 근접시공구간에서의 시공 순서는 서로 상이할 수 있지만 어느 경우든 터널 안정성 뿐만 아니라 인접 구조물 안정성에 위해한 영향을 미칠 수 있으므로 그 상호거동을 충분히 검토하여 리스크 요인을 사전에 제거하도록 하여 안전한 지하터널공사가 수행되도록 하여야 한다.
근접시공 가능 범위인 안전영역은 국내에서 지하철 건설 이 먼저 시행된 서울지하철과 부산지하철에서만 적용되고 있는 실정이다. 터널굴착으로 인해 영향을 받는 영역은 Fig. 1(a)과 같이 전통적으로 터널의 주동파괴 영역인 45°+/2를 기준으로 결정되어 왔다. 또한 서울특별시도시철도공사(2001)에서 제시하고 있는 터널안전보호권은 Fig. 1(b)와 같으며, “A”는 안전보호권, “B”는 중간영역권, “C”는 자유지대로 정의된다.
2.2 근접도 평가 방법
터널과 터널 간의 근접 시공은 기존 터널 시공에 따른 이완영역이 발생하게 되고 이 영역내에 근접하여 새로운 터널을 시공할 경우 기존 터널에 영향을 미치게 된다. 따라서 신설 터널 시공시에는 필요할 경우 터널 주변을 보강하여 기존 구조물에 미치는 영향을 최소화하고 주의 깊게 시공하여 기존터널의 안정성을 확보해야 한다. 최근 빈번하게 발생되고 근접시공은 터널의 병설, 터널의 교차, 터널상부의 개착 및 개착박스 구조물의 근접시공 경우로 각 조건별 안전영역의 정량적인 평가는 반드시 수행되어야 한다.
근접시공 범위는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 크게 제한범위, 요주의 범위, 무조건 범위로 구분되며, 제한범위는 신설 구조물의 시공 시 적극적 인 대책수립이 필요한 영역으로 구분하고 특히 제한범위와 기설 구조물 사이 공간은 보호층으로 규정하여 신설 구조물의 시공을 제한하고 있다. 그러나 현실적으로 신설 구조물의 계획을 수립함에 있어서 보호층을 침범하는 경우가 종종 발생하고 있으며, 이런 경우 경험적인 안전영역으로 평가하기보다는 지반조건 및 구조물 특성 등을 종합적으로 고려하여 현실적인 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
2.3 구조물 안전성 및 손상도 평가 방법
터널굴착 단계별 손상평가를 위해서는 지표침하 거동을 이용하여 손상평가 인자인 각변위, 처짐비, 부등침하, 구조물의 최대침하량, 수평변형률 및 구조물에 발생 가능한 균열양상 등의 수치를 토대로 평가를 수행한다. 본 연구를 위한 대상구간에 위치하는 지하철 6호선 터널 구조물의 손상 정도를 경험적으로 평가하기 위한 손상도 평가인자에 대한 허용기준을 산정하였으며, Fig. 3과 같이 Boscardin and Cording(1989) 및 Burland(1997)이 제안한 간편 도표에 의한 손상도 평가를 수행하였다. 본 방법은 구조물 또는 건물에 발생하는 각변형과 수평변형율로 부터 손상도를 5 등급으로 평가하는 방법으로 건물 손상도(building damage assessment) 평가가 일반적으로 사용되고 있다.
3. 근접시공 특성 및 근접도 평가
3.1 터널 설계 현황 및 특성
Fig. 4에 나타난 바와 같이 본 연구에서 수행하고자 하는 검토구간은 지하철 6호선 터널 하부통과구간으로 Sta.3km 346∼3km 454 구간이다. 그림에서 보는 바와 같이 기존 6호선 하부구간에 동북선 도시철도 터널이 계획되었다. 본 구간에서의 동북선 도시철도 터널은 복선터널로 저비저항대 및 선구조 등의 지반조사결과를 반영하여 지보패턴 및 보강공법을 검토하였다. 또한 본 구간은 그림에 나타난 바와 같이 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암, 연암 및 보통암의 지층분포를 보이며, 터널 구간은 보통암 이상의 암반을 통과하는 것으로 조사되었다.
본 구간은 터널 통과구간 구변에 기존 지하철 터널이 인접하여 있고, 지상에 주요 건물이 위치하고 있어, 본 연구에서는 이에 대한 안전성 분석을 수행하여 신설 터널굴착에 의한 기존 지하철 터널의 안전영향평가를 구체적으로 평가하고자하였다. 이를 위하여 다양한 방법의 수치해석을 통하여 기존 터널과 주변 구조물 및 건물에 대한 손상도 평가를 수행하였다.
3.2 근접 특성 및 근접도 평가
지하철 6호선 터널 하부통과구간 인접구조물에 대한 근접도 평가결과, 구조물 기준 전반적으로 “A급”영역에 해당되는 것으로 평가되어, 설계 시 기존 구조물 안정성 확보를 위해 대책공법 적용 및 적용된 안정성 확보 방안에 대한 적정성 검토가 수행되어야 하며, 시공 중 상부 구조물 변위 및 변형 발생에 대한 계측을 주 1회 이상 실시 및 월 2회 이상 점검이 요구된다. 또한, 근접도 평가는 지하철 구조물 주변 공사에 따른 영향을 개략적으로 평가하는 방법이므로 신설 구조물의 형상, 하중, 시공조건 및 지반조건 등을 종합적으로 고려한 상세검토가 필요할 것으로 판단된다.
4. 근접시공에 의한 기존 터널구조물 안전영향 평가
4.1 기존 지하철 터널 하부통과구간 본선터널의 안정성 평가
동북선 도시철도 하부통과 구간은 신설 본선 터널과 기존 6호선 터널의 이격거리, 거산프라자와 현대오일뱅크 등 주요 구조물, 터널 굴착단면의 크기와 이상대(단층파쇄대)가 존재하는 지반조건을 고려해 터널 본선 굴착 및 시공으로 인한 본선 및 주요 인접 구조물의 안정성 영향이 클 것으로 판단되어 STA. 3km 346∼3km 454(연장 108m) 위치를 검토구간으로 선정하였고, 해당구간에 대해 3차원 수치해석을 수행하였다. 해석조건은 Table 1과 같으며, 해석단면의 개요와 해석 모델링은 Fig. 5에 나타난 바와 같다.
Table 1.
Condition of 3D numerical analysis
실내시험, 현장시험, 참고문헌 및 설계사례 조사를 통해 산정된 검토 대상구간의 설계지반정수는 Table 2와 같다. 또한 Table 3에는 해석구간에 적용된 터널 지보패턴을 요약하여 나타내었다.
Table 2.
Geotechnical parameter for numerical analysis
Table 3.
Applied support pattern of tunnel
4.2 본선터널에 대한 안정성 검토
동북선 도시철도 하부통과 구간의 본선터널과 6호선 터널의 측점위치는 본선과 6호선 터널의 평면상 교차하는 구간과 이상대(파쇄대)의 위치를 고려해 결정하였고, Fig. 6과 같다.
동북선 도시철도 하부통과구간의 본선터널은 단순한 구조물 형태가 아니라 복잡한 형태와 기존 구조물과 근접해 있어 터널 안정성에 대해 이론적인 방법 등을 통해서 평가할 수 없으며 복잡한 구조물 형태를 가능한 반영하고 지반조건을 고려한 3차원 터널 안정성 해석을 수행하는 것이 바람직하므로 이에 3차원 해석을 수행하였다. 본 안정성 해석은 설계 단계에서의 지보재 설계를 위한 검토가 아닌 구조물의 안정성 평가에 대한 검토로서 안정성 해석을 수행하였으며 해석결과는 구조물의 안정성 판단에 활용하였고, 해석결과를 통해 예측된 터널의 천단과 측벽부 변위, 막장의 수평변위, 숏크리트의 휨압축응력과 록볼트의 축력은 Fig. 7과 같다.
측점위치별 본선터널의 변위와 라이닝의 부재력은 Fig. 7에서 보는 바와 같이 본선터널의 시공이 진행됨에 따라 증가한 후 변위와 부재력이 수렴하였고, 시공단계에서의 측점위치별 본선터널에 발생한 최대 변위와 라이닝의 최대 부재력은 Table 4와 같다. 동북선 도시철도 하부통과 구간의 본선터널에 대한 수치해석결과, 표에서 보는 바와 같이 터널의 최대 천단변위(허용 천단변위 15mm 이하)는 0.93mm, 최대 측벽변위(허용 내공변위, 15mm 이하)는 0.221mm, 최대 막장수평변위는 0.0865mm 발생하는 것으로 예측되었고, 발생한 변위 모두 허용 기준치를 만족하였다. 또한 터널 라이닝에 대한 숏크리트의 최대 휨압축응력은 0.26MPa(허용값 8.40MPa), 록볼트의 최대 축력은 23.0kN(허용값 91.20kN)으로 라이닝 부재의 허용기준을 만족하였다.
Table 4.
Numerical results for stability at measuring point
4.3 기존 지하철 터널과 지상 건물에 대한 안정성 평가
지하철 6호선 터널 하부통과구간의 도심지 하부굴착에 의해 연도변 주요 구조물 기초의 침하와 구조물의 변형이 발생할 수 있고 이로 인한 민원발생이 예상되므로, 지반반조건과 시공순서 등을 종합적으로 고려한 3차원 수치해석을 통해 도심지 하부굴착에 의한 인접구조물의 손상도를 평가하였으며, 해석조건은 Table 5와 같으며, 해석 모델링은 Fig. 8에 나타난 바와 같다.
Table 5.
Conditions of numerical results for stability of adjacent building
4.3.1 기전 지하철 터널에 대한 안정성 검토
Fig. 9는 수치해석결과로부터 예측된 시공단계별 지하철 6호선의 연직변위, 지표침하의 발생경향을 비교한 것이다. 또한 해석결과를 바탕으로 Boscardin&Cording 도표를 통해 구조물의 손상도를 평가한 것이다. 지하철 6호선의 측점위치는 Fig. 9(a)와 Fig. 9(b)와 같으며, 6호선 터널의 연직변위 발생경향은 터널시공이 진행됨에 따라 연직변위가 증가하였고, 종방향의 최대 연직변위는 0.3805mm이고, 횡방향의 최대 연직변위는 0.4313mm이었다. 지표침하는 터널 중심부에서 크게 발생하였고, 최대 지표침하는 0.118mm이었다.
또한 구조물의 손상도를 평가한 결과는 Fig. 10에 나타난 바와 같이 “무시등급” 수준이었다. 도심지 굴착완료 후 지하철 6호선에 대한 해석결과를 보인 것이며, 이를 기준으로 구조물과 지표침하에 대한 안정성을 평가한 것이다. 평가결과, 구조물의 연직침하와 지표침하 모두 허용치를 만족하였다.
4.3.2 기존 지하철 본선 선로 안정성 검토
Fig. 11은 수치해석결과로부터 예측된 시공단계별 6호선 본선 선로의 궤간틀림, 수평틀림, 뒤틀림(면뒤틀림), 고저틀림, 방향틀림에 대한 발생경향을 비교한 것이다. 해석결과, 6호선 본선의 궤간틀림은 안암 방향의 경우 최대 0.0114mm, 월곡 방향의 경우 최대 0.0031mm이었다. 6호선 본선의 수평틀림은 안암 방향의 경우 최대 0.0025mm, 월곡 방향의 경우 최대 0.0038mm이었다. 6호선 본선의 뒤틀림(면틀림)은 안암 방향의 경우 0.0002mm, 월곡 방향의 경우 최대 0.0077mm이었다. 본선 선로의 고저틀림은 안암 방향의 레일 R의 경우 최대 0.0053mm이고, 레일 R의 경우 최대 0.0086mm이었으며, 월곡 방향의 레일 R의 경우 최대 0.0039mm이고, 레일 L의 경우 0.0079mm이었다. 본선 선로의 방향틀림은 안암 방향 레일 R의 경우 최대 0.0052mm이고, 레일 L의 경우 최대 0.0097mm이었으며, 월곡 방향 레일 R의 경우 최대 0.0054mm이고, 레일 L의 경우 0.0022mm이었다. Table 7은 수치해석결과로부터 예측된 6호선 본선 궤도틀림(궤간, 수평, 뒤틀림, 고저틀림, 방향틀림)에 대한 검토결과를 정리한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 본선 궤도에 관한 허용기준에 모두 만족하였고, 이 결과를 통해 6호선 운행의 안정성을 확보함을 확인하였다.
Table 6.
Numerical results for damage stability of Metro 6 line
Table 7.
Numerical results for track irregularity of Metro 6 line
4.3.3 지상의 주변 건물에 대한 안정성 및 손상도 평가
Fig. 12는 수치해석결과로부터 예측된 주변건물인 거산프라자와 현대오일뱅크의 연직변위, 지표침하의 발생경향을 비교한 것이다. 또한 해석결과를 바탕으로 Boscardin&Cording 도표를 통해 구조물의 손상도를 평가한 것이다. 수치해석결과, 거산프라자의 최대 연직변위는 0.0194mm이고, 현대오일뱅크의 최대 연직변위는 0.0697mm이었다. 지표침하는 터널 중심부에서 크게 발생하였고, 최대 지표침하는 0.112mm이었다. 또한 구조물의 손상도를 평가한 바, Fig. 13에 나타난 바와 같이 “무시등급” 수준이었다. Table 9는 도심지 굴착완료 후 거산프라자와 현대오일뱅크의 해석결과를 비교한 것이며, 이를 기준으로 구조물과 지표침하에 대한 안정성을 평가한 것이다. 평가결과, 구조물의 연직침하와 지표침하 모두 허용치를 만족하였다.
Table 8.
Results of damage assessment of adjacent buildings
5. 근접시공에 의한 기존 지하철 터널 발파영향 평가
5.1 시험발파에 의한 발파진동식 산정
국내 진동에 대한 법적 규제기준은 생활진동 규제기준만 설정되어 있으며, 생활진동 규제기준은 진동레벨로 설정되어 있어 진동속도와의 상관성을 토대로 하여 상호간의 변환이 필요하다. 현재까지 국내에서 적용되는 진동속도와 진동레벨과의 상관식을 일반적으로 적용하고 있으나, 이 변환식을 설계에 적용시 현장 조건을 고려하지 못해 많은 오차를 포함하고 있다. 따라서 최근 연구결과와 현장의 시추공 시험발파시 발파진동과 함께 측정되는 진동레벨 결과값을 토대로 진동속도와 진동레벨과의 상관성을 종합적으로 분석하여 Fig. 14에서 보는 바와 같이 본 현장에서의 적용성을 검토하였다. 본 구간의 변환식은 현장 지반 및 지질조건을 반영하여 신뢰성이 높으나 시공시 시험발파를 통해 재검토하여야 할 것으로 판단된다.
지반특성을 고려하여 신뢰성이 향상된 인접현장 계측결과를 보정한 진동추정식 및 소음식을 적용하였다. 시공전 반드시 시험발파를 실시하여 현장에 적용 가능한 최적의 공법을 선정함과 동시에 진동추정식을 분석하여야 하며 추정식에 의한 진동, 소음 검토결과 허용치를 초과할 경우 시공시 방음문 및 방음커텐 등을 계획하고, 폭약종류 및 지발당 장약량 조절 등 발파 공해대책을 검토하여 진동 및 소음을 저감할 수 있는 방안을 강구하여야 한다. Table 9는 발파진동 추정식을 정리하여 나타내었다.
Table 9.
Calculation of equation for vibration level
| Equation for vibration level | Applied equation for vibration level | |||
| Root square 95% | Cube root 95% | Vibration level | Noise level | |
| Tunnel | VL=22.01log(V)+80.57 | |||
5.2 허용진동기준과 발파진동영향범위
지반특성을 고려하여 신뢰성이 향상된 인접현장 계측결과를 보정한 진동추정식 및 소음식을 적용하였다. 시공전 반드시 시험발파를 실시하여 현장에 적용 가능한 최적의 공법을 선정함과 동시에 진동추정식을 분석하여야 하며 추정식에 의한 진동, 소음 검토결과 허용치를 초과할 경우 시공시 방음문 및 방음커텐 등을 계획하고, 폭약종류 및 지발당 장약량 조절 등 발파 공해대책을 검토하여 진동 및 소음을 저감할 수 있는 방안을 강구하여야 한다. Table 10에는 각각의 진동제어발파방법에 대한 진동예측정도를 정리하여 나타내었다.
Table 10.
Calculation results (kg/delay) according to advanced length
5.3 보안물건에 대한 발파영향 평가
터널 주변에 존재하는 보안물건과 가장 가까운 지점에서 발파작업시 보안물건에 미치는 발파진동의 영향을 검토 하였다. 이때 해당지점에 적용되는 굴착패턴의 지발당 최대장약량으로 발파진동의 크기를 예측 하였다. Fig. 15는 터널 주변에 존재하는 보안물건에서 예상되는 발파진동 크기와 영향권 범위 현황을 나타낸 것이다. 또한 Table 11에는 각 위치에서의 예측된 발파진동치를 정리하여 나타낸 것으로 진동제어발파를 적용했음에도 불구하고 발파진동 허용기준을 초과하는 경우에는 무진동 암파쇄공법을 적용하였다.
Table 11.
Result for evaluation of blasting vibration effect
6. 결 론
본 연구에서는 근접시공에 따른 터널 구조물의 안정성에 미치는 영향에 대한 연구 수행을 위해 근접시공 관련기준 및 사례, 근접도 평가 및 정거장구조물 안정성 확보를 위한 터널 굴착방법을 검토하였으며, 기존터널 하부 터널굴착에 따른 안정성 해석 및 상세 구조검토를 통하여 현재 운행 중인 터널 구조물의 안정성을 평가하였다.
(1) 지하철 6호선 터널 구조물의 안정성 확보를 위한 안전구역 설정을 위해 근접도 평가를 수행한 결과 A급 영역에 해당되는 것으로 평가되었으나, 터널 주변지반이 보통암 이상의 비교적 양호한 조건으로 터널 근접 시공에 따른 영향은 미소할 것으로 판단된다.
(2) 동북선 도시철도 신설 터널굴착에 따른 기존 6호선 터널 구조물의 손상도는 매우 작은 것으로 나타나 변형특성 영향은 크지 않은 것으로 평가되었으며, 굴착중 및 굴착이후의 기존 터널의 구조적 안정성은 충분히 확보되는 것으로 판단된다.
(3) 기존 터널 운행안정성 확보를 위한 궤도틀림의 안정성 검토결과 선로 변형은 매우 작게 발생하여 허용기준을 모두 만족하는 것으로 평가되었으며, 기존 지하철 운행에 미치는 영향은 매우 작은 것으로 평가되었다.
(4) 동북선 도시철도 터널구간의 지상에 위치한 인접 건물에 대한 손상도 평가결과, 모든 건물에대한 한 손상도는 무시할 수준으로 나타나. 신설 터널굴착에 의한 지상 구조물에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
(5) 기존 6호선 하부 터널 통과구간의 발파는 정밀진동제어발파공법을 적용하였고, 발파진동허용치를 초과하는 경우에는 무진동 암파쇄 공법을 적용하는 것으로 계획하였으며, 이후 시공단계에서 공기 등에 미치는 영향 등을 종합적으로 검토하여 반영하여야 할 것으로 판단된다.
