이에따라서본논문은수치해석및계측을통하여도시철도 6 호선보문정거장하부통과 사례를제시하여추후유사한조건의도심터널계획시, 최적설계와안전시공을위한참고 자료로서활용할수있도록하고자한다. 1.2 연구동향기존터널에인접한터널이나접속부또는교차터널을건설하는경우에기존터널의안정 성에관한문제가발생

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1 2013 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2013S283 지하철구조물하부인접터널굴착의안정성에관한분석 A Study on the stability of passing Construction Method under the Station Structure 박동룡 *, 엄기영 **, 조국환 Dong-Ryong Park *, Ki-Young Eum *, Kook-Hwan Cho Abstract Because of the population concentration in capital area, Demand for public transport is increasing these days. To solve this problem, the Seoul government is extending or constructing a subway line. To make these lines, Seoul city has no choice but to make a new subway line under the existing structures. The more the city makes or extends a new subway lines, the more study on the stability of passing construction method under the existing station goes off. In this study, the stability of passing construction method under the station structure. Was analyzed by using numerical method. According to comparison between numerical analysis results and measure data, the reliability of numerical analysis and the safety of construction method are satisfied and suggested. Keywords : Station structure, Method of passing under the construction method, Tunnel, Stability 초록최근수도권인구집중으로인한, 수도권대중교통수요가폭발적으로증가하고있다. 이를해결하기위하여서울시는지하철노선을연장하거나증설하고있으며, 이에따라수도권에지하철노선이거미줄처럼놓이게되었다. 따라서기존지하철이나정거장하부를통과하게되는터널이늘어나게되었으며하부통과관련연구역시활발하게진행되고있다. 본연구에서는기존지하철하부인접터널굴착의시공에따른안정성을분석하였다. 시공단계에따른안정성검토를 3D 모델링을통하여수치해석을실시하였다. 수치해석결과와시공중계측된결과를비교함으로써수치해석의신뢰성을확보하였으며, 지하철구조물인접공사시안정성확보방안을제시하였다. 주요어 : 지하철정거장, 하부통과, 터널, 안정성 1. 서론 1.1 연구배경및목적도시의발전에따라사회간접자본인도로, 철도, 및지하철, 통신및전력시설, 수로시설등과같은기반시설의건설이대두되면서토지의효율적인이용과환경훼손의최소화, 도시경관과의조화등을고려한시설물계획및민원문제에대한대책이요구되고있다. 이로인하여기존에시공된지하철터널등과상하부로근접교차하는지하구조물의시공사례가급증함으로인해서시공시안정성의확보는신설구조공사정도가일반공사에비해상대적으로어렵고신설구조물의굴착시지반이완에따라기존시설물의손상발생가능성이높아지반침하 융기발생에따른구조물의균열, 누수및선로변형에따른열차운행에문제점을야기시킬수있다. 그러므로지하철교차부와주변부를굴착할때에는기존구조물의안정성을확인하는것이필요하다. * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과석사과정 ** 한국철도기술연구원차세대고속철도기술개발사업단 TFT 수석연구원 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과교수 (khcho@seoultech.ac.kr)

2 이에따라서본논문은수치해석및계측을통하여도시철도 6 호선보문정거장하부통과 사례를제시하여추후유사한조건의도심터널계획시, 최적설계와안전시공을위한참고 자료로서활용할수있도록하고자한다. 1.2 연구동향기존터널에인접한터널이나접속부또는교차터널을건설하는경우에기존터널의안정 성에관한문제가발생한다. 특히, 도심지에서는국가중요한기간시설물들이지하에건설 되어다양한형태의구조물들이기존구조물과접속및교차하는사례가많아지고있다. 여 기서교차구조물은기존구조물에수직, 수평및임의의각도로교차하는직접교차하는시 설물과기존구조물에영향을미칠수있을만큼의거리를두고평행혹은수직및임의의 각도로인접한경우로정의한다. 교차구조물의안정성및계측에관한연구등은다음과 같다. Adachi 등 (1993) 은단면을축소하는방법으로터널굴착을모사한 2 차원평면변형조건의 모형실험을수행하여터널간이격거리에대한영향과주변지반의거동등에관한연구를수 행하였다. 교차및접속터널은구조물의특성상 3 차원적인형태를취하고있으며, 단일터 널에서와같이평면변형조건을갖는 2 차원구조물로서의해석이어려운 3 차원구조물이 다. 또한기하학적형상이 2 차원으로구현하기가매우어렵고, 거동양상도매우복잡해서 3 차원적인연구가필요하였다. 김상환 (2003) 은원통형시험토조를이용하여점토지반에서의모형실험을수행하였다. 기 존터널과인접하여건설되는상하수직교차터널에대한실험으로서기존터널및기존터 널의상 하부에신설된터널과의상호거동을연구 고찰하였다. 유영현과배규진 (1997) 은교차터널의상호영향인자중교차터널간의이격거리, 터널크 기, 교차터널의변화등 3 가지항목에대한수치해석연구를수행하여교차부에서의각각의 결과를상호비교 검토하였다. 교차각변화에따른상부터널라이닝하단부의연직방향 변위는교차각 0 의경우에누적정규분포의침하경향성을보이며, 교차각 45, 90 의경 우에가우스정규분포의변위경향을보인다. 또한, 교차각 90 인경우에비해 45 인경우가 수직변위가더많이발생하는경향을보이고있으며, 교차부와외곽부와의변위경향차이 가뚜렷하게나타나고있다. 1.3 시공사례국내외적으로토지의효과적인활용이나터널건설입지조건이어렵게됨에따라교차터 널과같은특수한구조의터널을불가피하게시공하여야하는경우가발생되고있다. 이러 한경우단일터널의설계및시공법으로는적합하지않은경우가많고, 주변지반과인접구 조물에미치는영향을고려하여계측과안정성평가가이루어져야한다. 국내에서도구조물 종류별로도로, 철도, 지하상가, 지하저장시설등에서시공되고있는복합적인교차터널의 형태를나타내고있으며, 터널및지하구조물의교차형태를보면수평방향또는수직방향 병렬터널이거나, 직각또는임의각도를갖는상하교차터널등여러형태를갖는다.

교차터널의사례는국내외에서많이조사되고있다. 대표적으로일본의혜나산터널, 지하철 4호선남태령구간꽈배기터널, 영동선통리 ~ 도계간동백산터널, 남해고속도로진영터널, 성남 ~ 여주복선전철경안터널, 경부고속철도금정터널, 안천국제공항철도공덕구간, 지하철 9호선고속버스터미널구간등이있다.

3 교차터널의사례는국내외에서많이조사되고있다. 대표적으로일본의혜나산터널, 지하철 4호선남태령구간꽈배기터널, 영동선통리 ~ 도계간동백산터널, 남해고속도로진영터널, 성남 ~ 여주복선전철경안터널, 경부고속철도금정터널, 안천국제공항철도공덕구간, 지하철 9호선고속버스터미널구간등이있다. 본연구구조물과같이상부구조물에인접하여터널이굴착되어간섭되는기초파일을절단하고본선터널을시공한사례는다음과같다. 지하철 723공구도림천통과구간, 지하철 912공구이수입체교차로통과구간등이있다 2. 연구구조물 2.1 보문정거장현황본선터널상부에기존지하철 6호선보문정거장및정화조가약 1.7m, 하부에는통신구터널이 3.4m 정도이격되어위치하고있으며, 지층분포는토사 6.6m, 연암 8.8m 그밑으로는경암으로이루어져있으며, 하부통과구간은경암으로이루어져지반조건은양호하였다. 도시철도 6호선보문정거장건설시구조물의부력에대한대책으로하부에부력방지앵커가약 10m 시공되어있다. Fig. 2.1 보문정거장현황 2.2 굴착공법터널상부원지반손상을최소화하기위해소구경강관보강을적용하는대신링컷굴착및 굴진장을축소적용하여근접통과구간의터널및구조물안정성을추가로확보하였으며, 미 진동굴착방법은기계굴착혹은파쇄굴착을적용하여만일주변구조물에영향이작도록허용 진동치이내제어발파가기능할경우에도적용하여굴착하였다.

해석프로그램은지반 FLAC 3D 를이용하였으며, 요소의 크기및배열의영향을최소화하기위하여터널및터널주변영역의요소망은등간격으로 충분히작게하여지반을모델링하였다. 경계조건에의한구속영향을배제하기위하여좌 우및하부경계거리를 4.

4 Table 2.1 하부통과공법 구분보조공법굴착공법굴진장천공각도굴착방법 PD-2A-2 소구경강관보강 (L=6m, CTC=3.0m) 링컷 0.6m 9 o ( 길이 1/2 축소 미간섭 ) 상하반미진동굴착방법 Figure 2.2 하부통과공법단면 3. 수치해석 3.1 개요 우이 ~ 신설도시철도제 4 공구중 L12 정거장구간은본선터널이기존지하철 6 호선보문 정거장하부와 KT 통신구사이를근접하여통과하는것으로계획되어터널굴착으로인한 구조물안정성검토가필요하였다. 해석프로그램은지반 FLAC 3D 를이용하였으며, 요소의 크기및배열의영향을최소화하기위하여터널및터널주변영역의요소망은등간격으로 충분히작게하여지반을모델링하였다. 경계조건에의한구속영향을배제하기위하여좌 우및하부경계거리를 4.0D 이상모델링하고상부는지표면까지모델링하였으며, 지반은 Mohr-Coulomb 탄소성모델, 모델링에사용된요소는정거장에서가시설벽체및정거장구 조물은 Shell 요소, 기둥은 Pile 요소, 본선터널및 KT 통신구에서숏크리트, 라이닝은 Shell 요소, 강관다단은 Pile 요소, 록볼트는 Cable 요소로모델링하였다. L12 정거장및본선터널 의시공방법및시공순서를모사하여시공단계별변위및응력의변화를관찰하여기존구조 물, L12 정거장및본선터널의안정성및굴착공법의적정성을종합적으로검토하였다. Figure 3.1 해석요소망및모델링

5 (a) 굴착완료후바닥변위 (b) 보문역바닥변위발생경향 Fig. 3.2 보문역정거장침하영향검토 (a) 굴착완료후변위 (b) 터널변위발생경향 Fig. 3.3 시공단계별변위검토 (a) 굴착완료후숏크리트응력 (b) 숏크리트휨압축응력발생경향 Fig. 3.4 시공단계별숏크리트응력검토 (a) 굴착완료후록볼트축력 (b) 록볼트축력발생경향 Fig. 3.5 시공단게별록볼트응력검토

6 3.2 3차원 수치해석에 의한 안정성 검토 (1) 3차원 수치해석에 의한 안정성 해석결과, 본선터널의 최대 천단변위 0.34mm, 내공변위 0.077mm, 숏크리트 휨압축응력 0.467MPa( 8.4MPa), 록볼트 축력 2.34kN( 88.7kN)으로 발생하였으며, 변위가 작고 지보재 응력이 허용치 이내로 발생하여 터널에 대한 안정성 을 충분히 확보하는 것으로 판단됨. (2) 보문정거장에 대한 침하영향 검토결과, 최대 침하량 0.04mm(철도청 관리기준치, 7mm), 부등침하량 0.034mm, 처짐비 1/2,108,000, 각변위 1/1,469,000로 발생하며, 모두 허용치 이 내로 본선터널 굴착으로 인한 영향은 미소한 것으로 검토됨. (3) 정화조에 대한 침하영향 검토결과, 최대 침하량 mm, 부등침하량 0.014mm, 처짐비 1/1,216,000, 각변위 1/699,000로 발생하며, 모두 허용치 이내로 본선터널 굴착으로 인한 영향은 미소한 것으로 검토됨. (4) 통신구 터널에 대한 안정성 검토 결과, 천단변위 0.142mm(상향), 내공변위 mm, 콘크리트라이닝 휨압축응력 1.062MPa( 9.6MPa), 휨인장응력 0.026MPa( 0.64MPa)으로 발생하여 모두 허용치 이내로 통신구 터널의 안정성 확보가 가능할 것으로 판단됨. (5) 부력 안정성 검토결과, 현재수위 조건에 대해 앵커 절단시와 미절단시 안전율은 각각 1.484, 1.454로 기준 안전율(1.2)을 만족하며, 극한 수위조건(GL(-) 1.0m)에 대해서도 각각 1.374, 1.346으로 모두 기준 안전율(1.05)을 만족하여 안정한 것으로 판단됨. 3차원 구조해 석으로 상시지하수위조건 일 때 하부 앵커의 절단 유무에 따른 안정성 검토결과, 앵커 절단전후 인장력의 변화는 최대 55kN 미만으로 발생하고, 극한지하수위조건 일 때 하부 앵커의 절단 유무에 따른 안정성 검토결과는 앵커 절단전후 인장력의 변화에서는 최대 60kN 미만으로 발생한다. 또한, 인장력 및 바닥 슬래브 단면력의 변화도 거의 없는 것으 로 나타났으며 구조 검토결과 바닥 슬래브는 앵커 절단시에도 안정한 것으로 검토되었다. 4. 시공 4.1 시공 순서 보문역 하부통과 시공 단계는 Fig 3.1과 같으며 선대구경 천공 후 막장천공, 함암작업, 지 보설치, Shotcrete 타설 순으로 진행되었다. (a) 선대구경 천공 (b) 막장천공 (c) 함암작업

또한, 진동측정계와도상침하변위계를이용진동및균열량, 변형상태를계측하였다. Fig. 5.

7 (d) 지보설치 (e) Shotcrete 타설 Fig. 2 Passing construction method under the station structure of the Bomun subway station 5. 계측 5.1 계측항목하부통과구간계측은굴착에따른인접구조물 ( 도시철도 6호선 ) 자동계측시스템을설치하여계측을실시하였으며계측항목으로는 EL BEAM을이용하여구조물의기울기및변형상태를파악하였고균열측정계를이용구조물의균열량및변형상태를파악하였다. 또한, 진동측정계와도상침하변위계를이용진동및균열량, 변형상태를계측하였다. Fig. 5.1 Measuring cross section of the Bomun subway station 5.2 하부통과계측 Data (1) 본선터널 ( 하부통과구간 ) : 본선터널 ( 하부통과 ) 구간의계측기기별결과치를측정한결과천단침하계에서는 (-)3.0 ~ (-)6.0mm의침하량, 내공변위계에서는 (-)2.0 ~ (-)6.0mm의내공축소현상을보였으며, 지표침하량은 (-)4.0 ~ (-)7.0mm 침하하였다. 또한대표단면부의

8 계측결과숏크리트응력계는 (-)0.72 ~(+)0.60Mpa, 락볼트축력계에서는 (-)2.43 ~ (+)0.38Ton이변화하였고, 암반의이완변위를측정하고자하는지중변위계에서는 (-)1.18 ~ (+)0.63mm 변화하였음. (2) 위계측결과치중지표면침하계에서일부구간 (sta.10k+057 중앙부 ) 1차관리기준치를초과하여지속적으로계측관리를수행하였으며, 추가침하량이발생하지않고수렴되어안정적인결과치를보여, 보문역 하부통과시터널계측결과치는초기에변위및침하, 응력, 축력이발생하였고, 하부통과후전체적인계측결과치가기준치안에범주하여수렴하였다. (3) 보문역자동화계측 : 도시철도 6호선보문역사내설치된계측기별결과는균열측정계의경우 (-) ~ (+)0.1417mm, 구조물경사계는 (-) ~ (+)0.2458mm, 진동측정계는 0.686mm/sec이며, 도상침하계는 (-)1.43 ~ (+)01.78mm 침하하는결과치로기준치안에범주하여수렴하였다. (4) 하부통과기간중계측기기를통하여정기적으로계측값을이용하여도시철도 6호선보문역사및터널에대한안정성을검토한결과계측관리치및연속변위관리치모두기준치안에범주하여수렴되었으며, 이를토대로우이신설터널의보문역하부통과가안정적으로시공되었음을알수있음. Natm Tunnel Rock Bolt 축력계경시변화도 (#11번환기구신설방향 Sta.10k+130) 굴진장 (m) Displacement(KN) Displacement(KN) /07/05 12/07/26 12/08/16 12/09/06 12/09/27 12/10/18 12/11/08 12/11/29 12/12/20 13/01/10 13/01/31 13/02/21 13/03/14 13/04/04 13/04/25 1.0M 2.0M 3.0M 4.0M 1.0M 2.0M 천단침하 상반내공 #STA.10K+057 하반내공 상반굴진거리 하반굴진거리 Natm Tunnel 지중변위계경시변화도 (#11번환기구신설방향 Sta.10k+130) Natm Tunnel 숏크리트응력계경시변화도 (#11번환기구신설방향 Sta.10k+130) (a) 천단및내공변위경사 Graph (b) 축력계상반좌측부축력계 (Sta.10k+130) 상반우측부축력 Displacement(MPA) Radial Displacement(KN) Tangential /04/26 30) 상반천단부응력계 (Sta.10k+130) 1.0M 2.0M 3.0M 4.0M상반우측부응력계 (Sta.10k+130) 1.0M 2.0M 3.0M 4.0M lacement(mm) (c) 응력계 Displacement(MPA) Displacement(mm) Fig. 5.2 하부통과계측 Data 하반좌측부축력계 (Sta.10k+130) M Radial 2.0M - Tangential 3.0M 4.0M - Displacement(KN) 13/04/26 상반좌측부지중변위 (d)(sta.10k+130) 지중변위 Displacement(mm) 하반우측부축력계 (Sta.10k+130) placement(mm) M 상반우측부

9 7. 결론본논문에서는보문정거장하부통과구간에대한터널굴착영향및대책수립을위하여본선터널굴착에따른인접구조물 ( 지하철 6호선보문정거장및정화조, 통신구터널 ) 에미치는굴착영향및터널안정성, 터널시공시부력방지앵커절단에따른보문정거장구조물에대한안정성, 시공중계측안정성등에대한검토를수행하였으며그결과안정성이확보되었음을확인할수있었으며이를바탕으로성공적으로보문역하부굴착을시공하였다. 시공후계측 Data와수치해석비교결과, 숏크리트휨압축응력과록볼트축력은기존수치해석과유사한경향을보였다. 천단변위와내공변위의경우수치해석과침하량차이가발생하였으나이는기준치안에범주하였으며, 추가침하량이발생하지않고수렴되어안정적인결과치를나타내었다. 추후, 많이시공될수있는기존구조물하부통과와관련하여참고자료로써활용될수있었으면하는바람이다. 참고문헌 [1] 서울특별시도시철도공사 (2001), 도시철도인접굴착공사관리실무 [2] 서울특별시도시철도공사 (1998), 콘크리트도상궤도유지관리기술지침서 [3] ( 사 ) 한국지반공학회, 지반공학시리즈, 터널 도서출판구미서관 [4] 이상덕, 최수일과구자갑 (1994), 안정된지하구조물의설계및시공 도서출판새론 [5] 신세영 (2009), 지하철도구조물및운행선상부근접시공에따른안정성검토연구, 서울과학기술대학교석사학위논문 [6] 김래현, 이기환, 이우진, 김대규, 김낙경 (2002) 현장시험에의한그라운드앵커시스템의크리프및단기거동특성연구, 대한토목학회논문집, 제22권, 제6-C호, pp. 585~594. [7] 신방웅 (1998) 지반특성에따른헬리컬앵커의극한인발력에관한연구, 대한토목학회논문집, Vol.18, No.Ⅲ-6, pp. 911~920. [8] 조용선, 권오엽 (1997) 단일나선형앵커의인발저항력에관한연구, 대한토목학회논문집, Vol.17, No. Ⅲ-3, pp. 275~283. [9] BSI. (1989) Ground Anchorages, BS 8081, British Standard Code of Practice, pp. 77~84. [10] DIN4125. (1990) Ground Anchorages Design, Construction and Testing, Deutsche Industrie Norm, pp. 341~389. [11] PTI. (1996) Recommendations for Prestressed Rock and Soil Anchors, Post-Tension Institute.

1. 터널거동과 관련된 요인

터널 굴착중 취약지반조건에서 과다변위 및 붕락유형분석 김낙영 건설환경연구실 / 수석연구원 1. 터널거동과 관련된 요인 1. 터널거동과 관련된 요인 지형, 지질적 조건 Number 1 시공중 터널은 4차원 거동 미굴착 구간의 강도에 좌우 해저터널은 고수압 터널굴착거동시 Arching Effect v Arching Effect(하중전이현상) : 응력 재분배 v