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성령 초
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1 2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A095 시공순서에따른지하철 Box 구조물가교형받침의하중분담율에관한연구 Load distribution characteristics of temporary bridge bearing supporting subway Box structure under construction sequence 박양후 *, 김진팔 **, 이원섭 ***, 조국환 **** Yang-Hoo Park *, Jin-Pal Kim **, Won-Sub Lee ***, Kook- Hwan Cho **** Abstract Stability is one of the most important factors when the construction is performed under existing structure using temporary bridge bearing method. Potential risk factors causing design and construction errors should be evaluated and verified. The new subway line #9 was designed to pass underneath the existing subway line #2 which is the only circulation line in Seoul. The s acting on the pile due to the construction sequence through the numerical analysis were compared with the measured values. There was a big difference between numerical analysis value and the design value, the construction sequence had a significant impact on the acting on the pile. Therefore, numerical analysis and design which is reflected in the construction sequence should be done. Keywords : Subway, Temporary bridge bearing method, Stability 초록지하철가교형받침공법을통하여지하철구조물을통과하는경우기존구조물의안정성이중요하게여겨지고있으며이에따라설계및시공상의오차에대한검증이필요하다. 본연구대상이된지역은서울지하철 9 호선신설공사중서울시에서유일한순환노선인기존지하철 2 호선구조물하부통과구간으로수치해석을통하여시공순서에따른말뚝에작용하는하중을계측값과비교하였다. 수치해석결과설계값과는큰차이가나며시공순서가말뚝에작용하는하중에큰영향을미치고있음을알수있었다. 따라서이러한구조물설계시반드시시공순서를반영한해석및설계가이루어져야함을알수있었다. 주요어 : 지하철, 가교형받침공법, 안정성해석 1.1 연구배경및목적 1. 서론 서울시의발전에따라사회간접자본인기반시설의건설이대두되면서토지의효율적인이용과환경훼손의최소화, 도시경관과의조화등을고려한시설물계획및민원문제에대한대책이요구되고있다. 근래에는기존에시공된지하철터널등과상 하부로근접교차하는지하구조물의시공사례가급증하고있으며, 과다한공사비와사고시큰피해를유발할가능성또한증가하고있다. 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과, 석사과정 ** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과, 박사과정 *** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과, 석사과정 **** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과, 부교수 (khcho@snut.ac.kr)

서울시인구가 1030 만명으로증가함과더불어서서울시의지하철노선또한 Fig 1.1 과같이총 9 개노선총연장 316km 로늘어났으며, 지하철총 1 일이용승객수또한 600 만명으로증가하였다. Fig 1.1 Seoul subway line map 본연구대상이된지하철 9 호선 930 정거장은현재운행중인지하철 2 호선구조물하부에건설중이며, 지하철 2 호선은 1 일이용승객 200 만명으로전체서울시노선의 33% 를차지하고서울시에서유일한순환형노선이다.

2 서울시인구가 1030 만명으로증가함과더불어서서울시의지하철노선또한 Fig 1.1 과같이총 9 개노선총연장 316km 로늘어났으며, 지하철총 1 일이용승객수또한 600 만명으로증가하였다. Fig 1.1 Seoul subway line map 본연구대상이된지하철 9 호선 930 정거장은현재운행중인지하철 2 호선구조물하부에건설중이며, 지하철 2 호선은 1 일이용승객 200 만명으로전체서울시노선의 33% 를차지하고서울시에서유일한순환형노선이다. 만약 2 호선하부굴착중에 2 호선구조물의안정성에문제가생겨열차의운행이중단된다면그피해는계산할수없을만큼커질것이다. 따라서 2 호선구조물하부로구조물을시공하기위해서는무엇보다도 2 호선구조물의안정성의확보가중요하다. 본공사는 Fig 1.1 에표시된지하철 2 호선의하부를굴착하여정거장을만드는공사로써지하철 2 호선 Box 구조물이약 56m 노출되어가받침형식으로지지하여공사를진행하고있다. 현재지하철기존구조물하부통과공법으로는언더피닝공법을주로적용한다. 이에대한연구는다음과같다. 1) Sato, K 등 (1990) 은일본에서의지하공간사용의역사와현재특정지점에서의지하공간의시공기술을위한프로그램을제시하였다. 2) Ray z, Kordahi(2004) 는 underpinning 공법과그라우팅및마이크로파일이용한구체적인시공사례들의장점과단점을설명하였다. 3) Tovey, A(2006) 는지가의상승과인구의집중으로필요필요공간에대한수요가많아지는런던의상황을주목하여언급하고주택건물의지하실의적용과그때에적정하게사용될수있는콘크리트와언더피닝시공법을제시하였다. 4) Jia, Q, 등 (2009) 은기존건물의지하공간을심화할때사용되는파일기초언더피닝공법적용의전과후과정을나누어건물의침하에대해수치해석으로분석하였다. 본연구에적용된가교형받침공법은개량된언더피닝공법의한종류로서기존구조물을보존한상태에서하중을별도의구조체로전이시켜기존구조물하부에지하구조물을축조하는공법이다. 지지말뚝의이음없이일괄천공근입시켜지지력을확보하므로기존구조물의안전한지지가가능하며전용받침보지지구조로하부작업공간확보가용이하며, 인력굴착이최소화되어기존언더피닝공법보다공기를 1.5 배단축시킬수있으

며, 공사비를 1.2 배줄일수있고, 지지말뚝의근입후강성이큰받침거더를설치하므로구조물의처짐을최소화시킬수있다. Fig 1.2 는가교형받침공법과언더피닝공법을비교하였다.

2 Comparisons between standard and modified underpinning method

하지만설계는제한된지반조사와이상화된해석모델에의해결정되므로실제지하굴착시거동은설계시추정값과상당한차이를보일수있다.

연구구조물 지반조사결과매립층은 5m, 모래층은 8m, 자갈층은 5m, 풍화토는 3m, 풍화암은 5 m, 연암은 10m, 보통암은 4m, 경암은 6m 이상으로나타났으며, 2 호선구조물의현황은폭

3 며, 공사비를 1.2 배줄일수있고, 지지말뚝의근입후강성이큰받침거더를설치하므로구조물의처짐을최소화시킬수있다. Fig 1.2 는가교형받침공법과언더피닝공법을비교하였다. (a) Diagram of underpinning method (b) Diagram of temporary bridge bearing method Fig 1.2 Comparisons between standard and modified underpinning method 또한본연구대상이된가교형받침공법을이용한지지하는공법의경우무엇보다도하부굴착에따른지하철 2 호선구조물의안정성이중요하다. 하지만설계는제한된지반조사와이상화된해석모델에의해결정되므로실제지하굴착시거동은설계시추정값과상당한차이를보일수있다. 따라서설계및시공상의오차로인한사태를대비하기위해계측을통한검증이필요하며, 계측값을바탕으로실제굴착순서에맞는수치해석을통하여실제말뚝이받는하중을재해석하였다. 2.1 연구구조물현황 2. 연구구조물 지반조사결과매립층은 5m, 모래층은 8m, 자갈층은 5m, 풍화토는 3m, 풍화암은 5 m, 연암은 10m, 보통암은 4m, 경암은 6m 이상으로나타났으며, 2 호선구조물의현황은폭 10.8m, 높이 8.2m, 연장 56m, 토피고 5m 의 RC 콘크리트박스구조물형식이며, 총하중은 94.1 KN/m 2 이다. 연구구조물현황은 Fig 2.1 과같이나타내었다. (a) Diagram of subway No 9 station (b) subway No2 box and temporary bridge bearing method (c) Present condition of subway No 2 structure Fig 2.1 Present condition of the research structure

4 2.2 교차부시공순서 9 호선가받침구조물의주요시공순서는 Fig 2.2 에나타내었다. 첫번째단계로 2 호선구조물위치확인을위한 Casing 삽입후대형천공장비를이용하여군말뚝시공을하며, 두번째단계로구조물상부지반굴착및지지말뚝절단, 거더지지받침보설치를하며, 세번째단계로 2 호선구조물하부지반보강후하부횡단굴착, 유압잭설치후받침거더를시공을한후유압잭을이용하여구조물에밀착시킨다. 네번째단계로 2 호선하부횡단굴착후받침거더반복시공및중간보조파일시공이며, 다섯번째단계로 3 번째, 4 번째단계반복시공및중간보조팡일및보강재시공반복이며, 여섯반째단계로단계별굴착시공반복및최종굴착완료단계이다. 3.1 설계에서의수치해석 3. 수치해석 수치해석은유한요소프로그램인 Midas civil 을이용하여수행되었다. Fig 3.1 과같이가교형받침공법을이용하여지하철 2 호선구조물을받치는경우 3 차원모델링을하였으며, 말뚝이받는축력을나타내었고, 설계하중및설계의세부사항은 TABLE 3.1, TABLE 3.2 에나타내었다. Fig 4.1 Position of the Measuring Instrument Table 3.1 Design Load cell Design Load cell Design L kn L kn L kn L kn L kn L kn L kn L kn

5 Member of Framework Table 3.2 Specification of modeling Specification (mm) Cross-sectional area (mm 2 ) Modulus of elasticity (MPa) Bearing girder H-918ⅹ303ⅹ19ⅹ37 38, ,000 Girders supporting beams 2H-498ⅹ432ⅹ45ⅹ70 77, ,000 Bearing pile 8H-300ⅹ305ⅹ15ⅹ15 13, ,000 Auxiliary center pile H-400ⅹ408ⅹ21ⅹ21 21, ,000 Girders supporting bearing beam 3H-400ⅹ408ⅹ21ⅹ21 25, ,000 Bracing L-90ⅹ90ⅹ10 1, , 계측계획 4. 계측 지반조건, 주요구조물등의주변현황을충분히고려하여현장여건상취약부및불안정요인이많은단면을고려하여계측기설치간격을정하였다. 하중계는거더지지보에위치하며총 8 개소를설치하였으며, 계측기의현황은 Fig 3.1, Table 3.1 에나타내었다. Fig 4.1 Position of the Measuring Instrument Table 4.1 Affairs of Measuring Instrument Sign Measuring Instrument Spot Position of the measuring instrument Load cell 8 Girder support beam

6 4.2 하중계계측결과및분석 하중계 L1-1 의경우는최대값은설계값의 24% 인 129kN 으로측정되었으며하중계 L1-2 의경우는최대값은설계값의 31% 인 168kN 으로측정되었다. 하중계 L2-1 의경우는최대값은설계값의 97% 인 523kN 으로나타났으며, 하중계 L2-2 경우는최대값은설계값의 67% 인 363kN 으로나타내었다. 하중계 L3-1 인경우는설계값의 61% 인 328kN 으로측정되었고, 하중계 L3-2 는설계값의 92% 인 496KN 으로나타났으며, 하중계 L4-1 은최대값은설계값의 43% 인 234kN 으로측정되었고, 하중계 L4-2 은최대값은설계값의 23% 인 123kN 으로측정되었다. 시공이음부지점 (L2-1~ L3-2) 에서최대축력값을나타내고있으며, 받침거더공사를위한횡방향굴착시축력증가현상이관측되었다. 이후가받침구조물시공완료후수직굴착시급격한축력변화없이안정된양상을유지하고있음을알수있었다. Fig 3.2 는말뚝의하중계그래프이며, Table 3.2 는측정된최대계측값및설계값을나타내었다. (a) Load Cell L1 (b)load Cell L2 (c) Load Cell L-3 (d) Load Cell L-4 Fig 4.2 of the Table 4.2 of the maximum and The design Load cell Design Maximum Load cell Design Maximum L kn 129 kn L kn 168 kn

L2-1 535 kn 523 kn L2-2 535 kn 363 kn L3-1 535 kn 328 kn L3-2 535 kn 496 kn L4-1 535 kn 234 kn L4-2 535 kn 123 kn 5.1 단계별굴착에따른수치해석모델링 5.

7 L kn 523 kn L kn 363 kn L kn 328 kn L kn 496 kn L kn 234 kn L kn 123 kn 5.1 단계별굴착에따른수치해석모델링 5. 단계별굴착을고려한수치해석 본연구에서는단계별굴착을통한말뚝에작용하는하중을구하기위해지반해석프로그램인 Midas GTS 를이용하여 3D 수치해석을수행하였으며, 모델링의범위는토공구간은 X 방향 60m, Y 방향 40m, Z 방향 56m 이며, 구조물은 X 방향 10.8m, Y 방향 8.2m, Z 방향 56m 이며경계조건은 X 방향은수직방향, Y 방향은수평방향, Z 방향은수평방향으로구속하였다. 지반은 - 파괴기준을적용한탄소성재료로모델링하였고, 구조물및 H-pile 은 Elast ic 으로모델링하였다. 하중은자중을사용하였다. 해석에사용된자세한물성은앞절에수록하였으며, 지반에관한물성치는 Table 4.1 에나타내었고, 모델링은 Fig 4.1 에나타내었다. Fig 4.1 2D and 3D Modeling Table 5.1 Specific of Modeling Member of Framework Model Modulus of elastic (ton/m 2 ) Poisson`s ratio Specific weight (ton/m 3 ) Cohesion Friction angle Element (ton/m 2 ) Fill layer Sand layer Solid Solid

Gravel layer Weathered soil Weathered rock Soft rock 3500 0.3 1.7 2 32 Solid 4000 0.28 2 2 30 Solid 15,000 0.35 2 20 32.5 Solid 30,000 0.27 2.4 45 35 Solid No 2. Structure Elastic 2,000,000 0.18 2.

8 Gravel layer Weathered soil Weathered rock Soft rock Solid Solid 15, Solid 30, Solid No 2. Structure Elastic 2,000, Solid Bearing Girder Elastic 21,000, beam Girders supporting beams Elastic 21,000, beam H-pile Elastic 21,000, beam 5.2 단계별굴착에따른수치해석결과 파일 L1-1 의경우는최대값은설계값의 28% 인 150kN 으로산정되었으며파일 L1-2 의경우는최대값은설계값의 29% 인 160kN 으로산정되었다. 파일 L2-1 의경우는최대값은설계값의 8 4% 인 450kN 으로나타났으며, 파일 L2-2 경우는최대값은설계값의 89% 인 480kN 으로나타내었다. 파일 L3-1 인경우는설계값의 78% 인 420kN 으로산정되었고, 파일 L3-2 는설계값의 8 0% 인 430KN 으로나타났으며, 파일 L4-1 은최대값은설계값의 35% 인 190kN 으로산정되었고, 파일 L4-2 은최대값은설계값의 37% 인 200kN 으로산정되었다. 시공이음부지점 (L2-1~ L3-2) 에서최대축력값을나타내고있으며, 단계별굴착에따라서말뚝이받는축력값은 40% 이상차이가있음을알수있었다. 또한계측값과해석값을비교한결과 80% 이상일치함을알수있었다. Fig 4.2 는단계별굴착에따른말뚝이받는축력값을나타내었고, Table 4.2 는굴착단계에따라서해석값과계측값을비교 분석하였다. (a) the central part

9 (b) the right part (c) the left part Fig 5.2 sequence Table 5.2 and The design L1-1 L1-2 L2-1 L2-2 Step Before excavation the central part the right part the left part 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 53 kn 25 kn 54 kn 30 kn 510 kn 360 kn 400 kn 350 kn 89kN 80 kn 90 kn 70 kn 520 kn 410 kn 450 kn 363 kn 129 kn 100 kn 168 kn 140 kn 523 kn 450 kn 480 kn 363 kn

10 L3-1 L3-2 L4-1 L4-2 Step Before excavation the central part the right part the left part 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 0 kn 300 kn 250 kn 400 kn 330 kn 200 kn 50 kn 50 kn 30 kn 328 kn 280 kn 450 kn 350 kn 234kN 180 kn 60 kn 50 kn 328 kn 300 kn 490 kn 430 kn 234k kn 190 kn 123 kn 100 kn 6. 결론 본연구에서는기존지하철하부통과공법중언더피닝공법과가교형받침공법을비교 분석하고본연구대상이된서울지하철 9 호선 917 공구에서의가교형받침공법을이용한지하철교차부시공중계측기를설치하고굴착을진행함에따라발생하는말뚝에작용하는하중을계측하여기존지하철 2 호선구조물의안정성을확인하였고, 이에따라서 Midas GTS 를이용하여재해석을수행하였다. 이에따른결론은다음과같다. 1) 가교형받침공법은언더피닝공법에비해지지말뚝이음없이일괄천공후말뚝을근입시켜지지력을확보함으로써구조물안정성확보가뛰어남을알수있었다. 2) 계측을통한말뚝의작용하는최대하중은받침거더공사를위한횡방향굴착시설계값의 24~92% 으로측정되었으며이에 2 호선의구조물의안정성을확인하였다. 3) 계측기의위치에따라시공이음부지점 (L-2, L-3) 에서말뚝이받는하중은설계값의 79% 인 428 kn 이측정되었으며, 일반구간지점 (L-1, L-4) 에서는설계값의 30% 인 164 kn 이측정되었다. 시공이음부구간의선시공으로인하여말뚝에가해지는하중은일반구간이시공조인트구간에비하여 2.2 배낮게측정되었으며시공순서와시공기법에따라하중전달이크게영향을받음을알수있었다. 4) 수치해석결과단계별굴착에따른말뚝이받는축력값은최대 40% 이상차이가났으며, 시공순서와시공기법에따라단계별굴착해석결과와계측치와비교하여 80% 이상일치함에따라서하중전달이영향을받음을알수있었다. 5) 계측결과및수치해석결과를분석해볼때가교형받침공법을이용한구조물설계시반드시시공순서를반영한해석및설계가이루어져야함을알수있었다. 참고문헌 1. Sato, K., Hanamura, T., Sanbongi, K., and Nishi, J., "Underground space use in Japan," Civil engineering in Japan, Vol. 29, 1990, pp

11 2. Ray Z. Kordahi, "Underpinning Strategies for Buildings with Deep Foundaions,"Massachusetts Institute of Technology, June Tovey, A., "Concrete in the ground: Bastments - Development and innovation in the UK," Concrete Engineering International, Vol. 10, No. 4, 2006, pp Jia, Q, Zhang, X., and Ying, H. Q., "Numerical analysis of settlement difference for pile foundation underpinning for constructing underground space," Rock and Soil Mechanics, Vol. 30, No. 11, 2009, pp

<B8F1C2F728B1B9B9AE292E666D>

<B8F1C2F728B1B9B9AE292E666D> J. Korean Soc. Hazard Mitig. Vol. 14, No. 4 (Aug. 2014), pp. 111~118 http://dx.doi.org/10.9798/kosham.2014.14.4.111 ISSN 1738-2424(Print) ISSN 2287-6723(Online) 기초및토질방재 지하철하부를통과하는가교형받침공법안정성 Stability of