1. 서 론
2. 수직구 구간 지반안정성 평가를 위한 대상지역 설정
2.1 이론식 및 경험식 추정방법에 의한 수직구 굴착영향 범위 검토
2.2 수치해석에 의한 수직구 굴착영향범위 검토
2.3 이론식, 경험식 추정방법과 수치해석에 의한 수직구 굴착영향범위 비교 검토
3. 터널구간 지반안정성 평가를 위한 대상지역 설정
3.1 이론식 및 경험식 추정방법에 의한 터널 굴착영향범위 검토
3.2 수치해석에 의한 본선터널 굴착영향범위 검토
3.3 이론식, 경험식 추정방법과 수치해석에 의한 터널본선 굴착영향범위 비교 검토
4. 결 론
4.1 수직구 구간 굴착 영향범위 산정
4.2 본선터널 구간 굴착 영향범위 산정
4.3 굴착 영향범위 산정결과에 대한 고찰
1. 서 론
최근 도심지 구간에서 대규모 지하철 및 지하공간 개발이 활발해짐에 따라 터널 굴착으로 인해 발생하는 문제 및 해결방안에 대하여 관심이 점차 증가하고 있으며, 기존 시설물의 안정성과 관련한 민원이 상당한 이슈가 되고 있다. 특히, 도심지 대심도 정거장 터널 굴착으로 인해 각종 공사민원이 증가하는 추세이므로 수직구 굴착 및 터널 굴착에 따른 영향범위를 산정하는 방법에 대해 파악하는 것은 매우 중요한 일이다.
지반굴착시 지반안정성 검토를 위한 대상지역의 설정은 이론식 및 경험식 추정방법과 수치해석에 의한 방법으로 구분한다. 이론식 및 경험식 추정방법에 의한 수직구 굴착에 따른 검토범위는 Peck(1969)의 곡선방법, Caspe(1966)의 방법 및 Clough et al.(1990)의 방법이 있다. 터널 굴착구간의 경우 Peck(1969) 뿐만 아니라 Attewell and Farmer(1974), O’Reilly and New(1982) 등 많은 연구자들이 현장 계측결과와 비교하여 식의 타당성을 확인하였다.
국내에서는 Han et al.(2021)의 대심도 도심지 터널시공에 의한 기존 지하철 터널 안전영향 평가방법을 연구하였으며, Park et al.(2018)은 지하안전평가 시 주요 평가항목인 터널굴착으로 인한 지반침하 예측을 위해 지층조건, 지반특성, 터널심도 및 터널 중심으로부터 횡방향 이격거리와 같은 지반침하 영향요소를 고려한 매개변수해석을 수행하여 심도별 지반침하 특성 및 침하 발생 경향을 분석하고 터널굴착으로 인한 지반침하를 간편하게 예측할 수 있는 침하량 평가도표를 도출하였다.
따라서, 본 연구에서는 이론식 및 경험식 추정방법, 수치해석에 의한 방법으로 000선 복선전철 민간투자사업의 수직구 구간 및 터널 구간 굴착시 영향범위를 설정한 사례를 제시하며 그 결과를고찰하고자 한다.
2. 수직구 구간 지반안정성 평가를 위한 대상지역 설정
2.1 이론식 및 경험식 추정방법에 의한 수직구 굴착영향 범위 검토
이론식 및 경험식 추정방법에 의한 수직구 굴착에 따른 검토범위는 Peck(1969)의 곡선방법, Clough et al.(1990)의 방법으로 산정하였다. 첫 번째 Peck(1969)의 곡선에 의한 방법은 현장에서 시공되고 있는 가시설 벽체 인접 지반에 대해, 현장 계측결과로부터 지반조건별 굴착심도에 따른 거리비로 침하량 분포를 제시하였다.
Peck의 곡선은 다음 Table 1과 같이 지반조건별로 Ⅰ～Ⅲ 지역으로 구분한다.
Table 1.
The area subject to ground conditions
| Zone | Ground conditions |
| I | Sand and soft or solid clay |
| II | Very soft or soft clay |
| III | Existence of very soft or soft clay layers to significant depth below the excavation level |
위의 Table 1에서 제시된 지반조건 중 대상 사업구간의 지반조건은 Ⅰ지역에 해당하며, 다음 Fig. 1에서와 같이 「굴착면으로부터의 거리 / 최대굴착깊이 = 2.0」이다. 따라서, Peck의 방법에 의한 굴착영향거리는 다음 식 (1)과 같이 산정할 수 있다.
두 번째 Clough et al.(1990)의 방법은 굴착을 시행했을 경우, 흙막이 벽체 배면에서의 거리별 침하량을 지반조건별 현장 측정결과 및 유한요소법으로 구하여 제시하였다. Clough 등에서 제시한 지반조건은 모래지반, 연약 내지 중간정도의 점토지반 및 굳은 점토지반으로 구분하며, 제시된 지반조건 중 대상 사업구간의 지반조건은 모래지반에 해당한다.
Fig. 2에서 Clough 곡선의 모래지반 조건에서 최대 침하량은 「흙막이 벽체로부터의 거리/굴착깊이」최대침하량비를 1.0～2.0으로 제시하고 있으므로 안전측 평가를 위해 다음 식 (2)와 같이 최대굴착깊이의 2.0배를 굴착영향거리로 선정하였다.
이와 같이, 수직구 구간 지반 안정성 평가를 위해 Peck(1969)의 곡선방법과 Clough et al.(1990)의 방법으로 산정한 굴착영향범위를 정리하면 위의 Table 2와 같다. 한편, 수직구 굴착영향범위 산정을 위해 000선 복선전철 민간투자사업 구간 중 OO Station과 △△ Station에 대하여 영향범위를 산정한 결과, Table 3에서와 같이 OO Station은 96.12～99.39m, △△ Station은 93.47～97.70m로 산정되었다.
Table 2.
The results of the excavation impact range review by Peck and Clough et al.
| Alignment | Peck (1969) | Clough et al. (1990) | |
| Ground conditions | Sand and soft or solid clay | Sand | Hard to very solid clay |
| Excavation impact range | 2.0H | 2.0H | 3.0H |
Table 3.
The excavation impact range review of stations by Peck and Clough et al.
| Structure | Peck (1969) (m) | Clough et al. (1990) (m) | |
| OO Station | Exit 1 | 99.39 | 99.39 |
| Exit 2 | 96.12 | 96.12 | |
| △△ Station | Exit 1 | 97.70 | 97.70 |
| Exit 2 | 93.47 | 93.47 | |
2.2 수치해석에 의한 수직구 굴착영향범위 검토
일반적으로 굴착에 의한 영향과 지하수위 저하에 따른 영향을 함께 고려하는 침투-응력 연계해석을 적용할 경우, 초기 지하수위 조건으로 건기와 우기가 반복적으로 발생하는 지반특성을 반영하지 못해 굴착영향 검토범위가 과다하게 산정되는 경향이 있다.
따라서, 본 연구에서는 굴착영향범위 산정을 위한 수치해석 방법으로 지하수위 변화를 고려하지 않은 응력해석을 적용하였다. 또한, 강성체인 인접구조물을 반영할 경우, 구조물의 영향으로 침하량이 과소하게 산정되거나, 구조물로 인해 침하경향 분석에 제약이 발생하므로 인접구조물은 모델링에 반영하지 않았다.
수치해석시 사용한 프로그램은 MIDAS GTS NX이며, 해석모델은 Mohr-Coulomb을 적용하였다. 수치해석 영역은 수직구의 굴착깊이의 2.0H이상이며, 경계조건은 하부는 연직변위 구속, 좌우는 수평변위 구속, 상부는 자유면으로 설정하였다.
한편, 수치해석에 의한 굴착영향범위 검토시 지표면 변위 수렴여부를 판단하고, 수렴여부를 판단하기 어려울 경우 지하안전평가서 표준매뉴얼(2022)에 제시된 허용기준(25mm)의 10%인 2.5mm 침하지점까지를 검토 범위로 산정하였다.
수치해석 검토결과, Fig. 3 및 Table 4와 같이 OO Station에서 출입구-1 및 출입구-2에서 허용침하량 기준인 2.5mm 이상 지표침하가 발생하는 구간(굴착 영향범위)은 출입구-1의 경우 수직구 최대굴착깊이 49.70m일 때 50m, 출입구-2의 경우 수직구 최대굴착깊이 48.06m일 때 55m로 산정되었다. 한편, △△ Station의 경우 출입구-1 및 출입구-2 모두 수직구 최대굴착깊이(48.85m 및 46.74m)와 무관하게 허용침하량 기준인 2.5mm 이상 침하가 발생하는 구간이 없으며 굴착영향구간이 없는 것으로 나타났다.
Table 4.
The results of the excavation impact range review by numerical analysis
| Structure | Maximum depth of excavation (m) | Numerical analysis results (m) | |
| OO Station | Exit 1 | 49.70 | 50.00 |
| Exit 2 | 48.06 | 55.00 | |
| △△ Station | Exit 1 | 48.85 | - |
| Exit 2 | 46.74 | - | |
2.3 이론식, 경험식 추정방법과 수치해석에 의한 수직구 굴착영향범위 비교 검토
정거장 터널 수직구의 굴착영향범위 검토결과, Table 5에 정리한 것과 같이 이론식 및 경험적 방법에 의하여 최대굴착심도의 2.0배인 93.47～99.39m로 나타났으며, 수치해석에 의한 검토결과 허용침하량 기준인 2.5mm 이상 침하가 발생한 구간은 약 50～55m로 산정되었다. 이론식 및 경험적 방법과 수치해석 방법 중 안전측으로 이론식 및 경험적 방법에 의해 산정된 값을 굴착영향범위로 산정하였다.
Table 5.
Estimation of excavation impact range in vertical section of station
| Structure | Peck (1969) (m) | Clough et al. (1990) (m) |
Numerical analysis (m) |
Excavation impact range (m) | |
| OO Station | Exit 1 | 99.39 | 99.39 | 50.00 | 99.39 |
| Exit 2 | 96.12 | 96.12 | 55.00 | 96.12 | |
| △△ Station | Exit 1 | 97.70 | 97.70 | - | 97.70 |
| Exit 2 | 93.47 | 93.47 | - | 93.47 | |
3. 터널구간 지반안정성 평가를 위한 대상지역 설정
3.1 이론식 및 경험식 추정방법에 의한 터널 굴착영향범위 검토
일반적으로 터널 굴착에 의한 지표면의 거동은 3차원적인 형태로 발생되며, 터널 막장의 위치와 굴진거리를 고려한 3차원적인 예측식을 적용하였다. Peck(1969)은 모래지반 및 점토지반 등 다양한 지반에서 시공된 터널 계측자료의 분석결과를 토대로 터널 굴진방향과 직교하는 횡단면에서의 지표침하는 정규확률분포의 형태를 보인다는 전제하에 지표침하형상 곡선식을 제안하였다. 그 후 Attewell and Farmer(1974), O’Reilly and New(1982) 등 많은 연구자들이 현장 계측결과와 비교하여 제안식의 타당성을 확인하였다.
Attewell and Woodman(1982)는 터널 굴착으로 발생되는 3차원 지표침하를 예측하기 위해 현장계측자료를 근거로 지표침하경향이 터널굴진방향과 직교한 축에 대해서는 가우스 정규분포곡선을 따른다는 가정 하에 터널 굴진방향과 평행한 축의 침하분포 경향이 누적정규분포곡선을 따른다고 가정하고 이론식을 제안하였다. 터널 굴착에 의한 횡·종단면상의 지표침하 예측식을 적용하기 위해서 먼저 변곡점(i)과 지반손실률(Vi)에 대한 값을 합리적으로 결정하여야 한다.
Table 6에서 Peck(1969) 등 각 연구자별 이론식 및 경험적 방법에 따른 터널 굴착에 따른 검토범위는 횡단면 지표 침하곡선에서 변곡점(i)까지 거리의 2.5배로(2.5i) 산정할 수 있으며, 각 연구자별 제안식을 적용하여 산정한 결과 검토범위는 0.79～1.87D로 검토되었다. 굴착영향 검토범위 산정시 터널직경은 최소 11.52m, 최대 20.20m이며, 토피고는 60m로 가정하여 산정하였다.
Table 6.
The results of the excavation impact range review by researchers
| Researchers | Calculation formula | Result | |||
| Tunnel type | Tunnel diameter | Tunnel depth | Excavation impact range | ||
| Peck (1969) | i = 0.2(D + z) | Main line tunnel | 11.52m | 60m | 14.304m (=1.24D) |
| Explosion Tunnel A | 15.89m | 60m | 15.178m (=0.96D) | ||
| Explosion Tunnel B | 20.20m | 60m | 16.040m (=0.79D) | ||
| O'Reily and New (1982) |
i = 0.28z - 0.1 (sand) | Main line tunnel | 11.52m | 60m | 16.700m (=1.45D) |
| Explosion Tunnel A | 15.89m | 60m | 16.700m (=1.05D) | ||
| Explosion Tunnel B | 20.20m | 60m | 16.700m (=0.83D) | ||
|
Clough and Schmidt (1981) | i/R=(z/D)n | Main line tunnel | 11.52m | 60m | 21.567m (=1.87D) |
| Explosion Tunnel A | 15.89m | 60m | 22.999m (=1.45D) | ||
| Explosion Tunnel B | 20.20m | 60m | 24.130m (=1.19D) | ||
터널굴착으로 인해 영향을 받는 영역은 Attewell(1986)의 제안에 따라 Fig. 5(a)과 같이 터널의 주동파괴 영역인 45°+ϕ/2를 기준으로 결정되어 왔다. 또한 Seoul Metro(2001)에서 제시하고 있는 터널안전보호권은 Fig. 5(b)와 같으며, “A”는 안전보호권, “B”는 중간영역권, “C”는 자유지대로 정의된다.
Attewell(1986)에 따라 굴착영향거리는 45°+(Φ/2)이며, 대상 사업구간에 적용성 검토결과, 도심지 대심도 터널을 고려할 경우 토피고 40m 이상의 내부마찰각은 연암 34°, 경암 40°로 실제보다 과다산정 되고, 암반출현심도가 빠른 국내 지반특성과 부합하지 않으므로 Attewell(1986)의 이론식은 배제하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
3.2 수치해석에 의한 본선터널 굴착영향범위 검토
수치해석에 의한 본선터널 굴착영향범위 검토시 국내지반이 복합지반인 특성을 감안하여 굴착에 따른 검토범위를 산정하였으며, 과업구간 현황(지반조건이 가장 취약한 구간, 지보패턴, 주요 인접 구조물 위치 구간 등)을 종합적으로 고려하여 가장 취약한 단면에 대해 2차원 수치해석을 수행하였다. 굴착영향범위 산정을 위해 000선 복선전철 민간투자사업 구간 중 △△정거장 전후 구간(최대심도 약 60m 이상)에 대하여 검토를 수행하였으며, 해석결과는 Fig. 6 및 Fig. 7과 같다.
00 정거장의 시점부 및 종점부의 지표침하량을 검토한 결과, Underground Safety Assessment Report Standard Manual(2022)에 제시된 허용기준(25mm)의 10%인 2.5mm 이상 발생하는 구간이 없는 것으로 나타났으며, 본선 터널굴착시 영향이 없음을 확인할 수 있다.
3.3 이론식, 경험식 추정방법과 수치해석에 의한 터널본선 굴착영향범위 비교 검토
이론식 및 경험적 방법에 의한 터널 굴착에 따른 굴착영향범위는 횡단면 지표 침하곡선에서 변곡점(i)까지 거리의 2.5배로(2.5i) 산정할 수 있으며, 각 연구자별 제안식을 적용하여 산정한 결과 검토범위는 0.79～1.87D로 검토되었다.
한편, 수치해석에 의한 방법으로 터널 굴착에 따른 굴착영향범위를 검토한 결과 2.5mm 이상 침하가 발생한 구간은 없는 것으로 산정되었다.
결과적으로, 이론식 및 경험적에 의한 방법과 수치해석에 의한 방법을 종합적으로 검토한 결과, 터널 굴착에 의한 검토범위는 이론식 및 경험적 방법에 의해 터널 외측에서 1.5D(터널 중심에서 2.0D)를 적용하는 것이 적절한 것으로 판단된다. 다만, 이러한 해석결과는 본 000선 정거장 해석결과 사례에 의한 것으로 터널의 토피고나 지반상태에 따라 해석결과는 달라질 수 있음을 유의해야한다.
Table 7.
Estimation of excavation impact range in tunnel section of station
| Structure | Peck (1969) | O’Reily and New (1982) |
Clough and Schmidt (1981) |
Numerical analysis |
Excavation impact range |
| Main line tunnel | 0.79~1.24D | 0.83~1.45D | 1.19~1.87D | - | 2.0D |
4. 결 론
4.1 수직구 구간 굴착 영향범위 산정
정거장 터널 수직구의 굴착영향범위 검토결과, 이론식 및 경험적 방법에 의하여 최대굴착심도의 2배인 93.47～99.39m로 나타났으며, 수치해석에 의한 검토결과 허용침하량 기준인 2.5mm 이상 침하가 발생한 구간은 약 50～55m로 산정되었다. 이론식 및 경험적 방법과 수치해석 방법 중 안전측으로 이론식 및 경험적 방법에 의해 산정된 값을 굴착영향범위로 산정하였다. 따라서, 본 연구에서와 같이 대심도 터널 정거장의 수직구 굴착시 수직구 최대굴착심도(H)의 2.0배를 적용하여 지반 안정성 검토를 수행하는 것이 굴착시 안정성 확보에 유리함을 확인할 수 있었다.
4.2 본선터널 구간 굴착 영향범위 산정
본선터널굴착에 의한 굴착영향범위 검토결과, 이론식 및 경험적 방법에 의하여 0.79～1.87D으로 나타났으며, 수치해석에 의한 검토결과는 허용침하량 기준인 2.5mm 이상 침하가 발생한 구간은 없는 것으로 나타나 굴착영향범위가 없는 것으로 분석되었다. 이론식 및 경험적 방법과 수치해석 방법 중 큰 값을 지반안전성 평가범위로 산정해야하므로 본 검토사례와 같은 대심도 터널의 경우에도 안전측으로 터널 외측에서 1.5D(터널 중심에서 2.0D)를 적용하여 지반안전성 검토를 수행하는 것이 굴착시 안정성 확보에 유리함을 확인할 수 있었다.
4.3 굴착 영향범위 산정결과에 대한 고찰
본 연구에서는 대심도 수직구 및 터널 구간 굴착시 영향범위를 산정하고자 이론식 및 경험적 방법에 의한 방법 그리고 수치해석을 통해 검토하였다. 수치해석결과에 비해 이론식 및 경험식에 의한 결과값이 과다하게 산정되었는데, 이는 이론식 및 경험식에 의한 지표침하 발생경향에 대한 연구는 굴착 지반조건이 토사, 점토 등 국내에서 일반적으로 굴착되는 조건이 아니므로 이론적인 방법을 통해 굴착영향범위를 산정하는 것은 토사터널 등과 같이 지반조건이 유사할 경우 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
