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1 Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 31, No. 2, pp , April 2016 by The Korean Society of Safety (pissn , eissn ) All right reserved. 지하차도건설에따른기존지하철터널안정성에대한연구 정지승 최재영 * 이진혁 ** 동양대학교철도토목학과 * 동부엔지니어링 ** 삼주이앤텍 ( 접수 / 수정 / 채택 ) A Study on the Stability of Existing Subway Tunnel due to Construction of New Underpass Jee-Seung Chung Jae-Young Choi * Jin-Hyuk Lee ** Department of Railroad Civil Engineering, Dongyang University * Dongbu Engineering ** Samju E&Tech (Received December 13, 2015 / Revised January 7, 2016 / Accepted January 11, 2016) Abstract : Recently, subways in the city are formed a vast underground network which is interfered with construction when large-scale infrastructure will be planned to nearby existing subway tunnels. Researches have been restricted to estimate stability of existing subway tunnel due to adjacent excavation causued by small construction such as buildings. In this paper, OO underpass is planned on the top of existing subway tunnel, which will be need large-scale excavation, is selected as a subject of study. And the purpose of this study is to analyze the effects on existing subway tunnel due to excavation by stages on construction of underpass. The 3D-numerical analysis was performed by using the MIDAS/GTS program. The stability on existing subway tunnel caused by sequential excavation is analysed using numerical results. Based on the analysis, the excavation orders and reinforcement methods was suggested for stability of exiting subway tunnel. Key Words : underpass, excavation, subway tunnel, reinforcement, numerical analysis 1. 서론 빠르고편리한교통수단인지하철은현재거대한지하네트워크를형성하고있어도심지에서추가의인프라시설을건설하고자할경우기존지하철과의간섭이발생되곤한다. 이때기존지하철터널에인접한굴착공사는주변지반의응력평형상태를깨뜨려기존터널구조물에위해한영향을미칠수있으며지형, 지질조건, 인프라시설의규모및시공방법등다양한조건에따라미치는영향이다르다. 또한, 대부분의경우기존터널을직접보강하기가곤란하므로기존터널안정성확보를위한이격거리확보및주변지반보강방안등에대한연구활동이활발하게이루어져왔다. Yoo 1) 는기존터널에인접한신설터널시공이기존터널라이닝에미치는영향을분석하였고 Lee 2,3) 는근접굴착에따른기존터널거동에대한연구를수행하였으며 Byun 4) 은지하철과인접한굴착사례분석을수행 하였고, Chung 5) 은기존구조물을철거후신설하는과정동안기존지하철의안정성에대한연구를수행하였다. 그러나앞서기술한바와같이기존지하철상부에대규모도로인프라시설을설치할경우기존터널거동특성연구사례는거의없는실정이다. 따라서본논문에서는기존지하철상부에지하차도와같은대규모도로인프라가설치되는구간을연구대상사례로선정하고 3 차원수치해석을통해상부지하차도의단계별시공에따른기존지하철에미치는영향을분석하였다. 2. 하중변화에따른지반의변형거동 지반의변형은지반의체적변화라말할수있는데상재하중이감소하면지반의체적은증가하고상재하중이증가하면지반의체적은감소한다. Fig. 1 은지반의응력 - 변형률곡선을나타낸것으로써하중변화에 Corresponding Author : Jee-Seung Chung, Tel : , jschung@dyu.ac.kr Department of Railroad Civil Engineering, Dongyang University, 145, Dongyang-ro Poonggi-eup, Youngju-si, Gyeongbuk-do 36040, Korea 57

2 정지승 최재영 이진혁 준치 (Table 1) 를초과할경우지하차도시공순서변경및보강등다양한방안에대해고찰하고자한다. 4. 수치해석개요 Fig. 1. Stress-strain curve 6). 따른지반의변형특성을파악할수있다. 상재하중이감소하면응력 - 변형률상태는초기조건 (A 점 ) 에서 a 경로를따라이동하여 B 점상태가된다. 반면에구조물시공등으로상재하중이증가하면응력 - 변형률상태는 B 점상태에서 b 경로를따라이동하여 A 점을거쳐 C 점상태가된다. 따라서지하차도건설로인한지반굴착등상재하중이감소하는경우하부의지반에서는상향변위가발생하고되메움이나지하차도시공등상재하중이증가하는경우에는하향변위가발생한다 6). 이로인하여하부인접한지하철터널에영향을주며상재하중이감소하는경우상향변위가발생하고상재하중이증가하는경우하향변위가발생하며두경우모두일반적으로부재력이증가한다. 따라서이러한거동을고려한정밀한안정성검토가필요하다. 3. 연구대상지하차도와지하철현황 4.1 해석개요 본논문에서는기존지하철에지하차도가건설될경우기존지하철의안정성을확보하기위한다양한방안에대해검토하고자수치해석을수행하였다. 수치해석은유한요소법 (FEM) 프로그램인 MIDAS/GTS 를사용하였으며복잡한형상의지형및지질, 건물형상및하중조건등을고려하기위해 3 차원수치해석을수행하였다. 또한, 재래적인시공방안으로지하차도시공시기존지하철터널의안정성을평가하고, 만약서울도시철도에서제시한기준치를초과할경우 Case 1 ( 시공순서개선 ), Case 2( 시공순서개선 + 다분할굴착 ), Case 3( 시공순서개선 + 다분할굴착 + 고정하중재하 ) 과 Case 4( 시공순서개선 + 다분할굴착 + 앵커보강 ) 에대한해석을수행하고그결과를분석하였다. 4.2 수치해석모델 지반의물리적특성을탄성및탄소성이론을도입하여구조적으로적당한미소요소로분할해서각요소가유한개의점으로연결되는요소로가정한 Model 로고려하여수치적해석을수행하였다. 지반에대한거동및응력분석은 2 차원평면변형요소및 3 차원고체요소를사용하고탄소성이론을도입하여연속체로해석하였으며, Fig. 2 와같이지반재료의거동은 Mohr-Coulomb 파괴기준을 Model 화하여분석하였다. 본논문의연구대상인 OO 지하차도는풍화토 풍화암지반조건에기존구조물 ( 도시철도 5 호선터널 ) 과근접되는상부개착공법시공조건이며, 운행중인도시철도 5 호선터널의특성상시공중사소한문제점발생시심각한교통체증및사회적인파급효과가클것으로판단되므로 OO 지하차도굴착작업에따른다양한검토가필요하다고판단된다. 따라서본연구에서는지하차도시공시기존지하철터널의응력과변위를수치해석으로산정하여서울도시철도에서제시한기 Table 1. Design criteria Items Displacement Lining Stress Shotcrete Rock Bolt Axial Force Allowable Values 3.0 mm 9.6 MPa 8.4 MPa kn Fig. 2. Mohr-coulomb failure criterion. 5.1 재래적인시공방안 5. 수치해석결과 지하차도건설을위한굴착시재래적인시공방안은 Fig. 3 과같이지하차도외측부터굴착하여내부로굴 58 Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 2, 2016

지하차도건설에따른기존지하철터널안정성에대한연구 확보를위해재래적인시공방안보다본논문에서제안하는 Case 1~4

Initial stage 1 6 1 st excavation, 1step 6step 7 1 st

1step 6step 15 2 nd installing structure 16 Back filling 17 22

Back filling 25 30 4 th excavation, 1step 6step 31 4 th

+ 1.0D grouting 34 38 5 th excavation, 2step 6step 39 5 th

4 와같이나타내고, 시공순서는 Table 2 와같이정리하였다. 수치해석을실시한지하치도의변위및응력결과는 Fig.

3 지하차도건설에따른기존지하철터널안정성에대한연구 확보를위해재래적인시공방안보다본논문에서제안하는 Case 1~4 에대해검토하고자한다. Fig. 3. Conventional costruction method. Fig. 4. Modeling. Table 2. Construction procedure Analysis step Construction procedure 0 Initial stage st excavation, 1step 6step 7 1 st installing structure 8 Back filling nd excavation, 1step 6step 15 2 nd installing structure 16 Back filling rd excavation, 1step 6step 23 3 rd installing structure 24 Back filling th excavation, 1step 6step 31 4 th installing structure 32 Back filling 33 5 th excavation, 1step + 1.0D grouting th excavation, 2step 6step 39 5 th installing structure 40 Back filling 착하는방안으로이때의해석모델은 Fig. 4 와같이나타내고, 시공순서는 Table 2 와같이정리하였다. 수치해석을실시한지하치도의변위및응력결과는 Fig. 5 와같으며, 해석결과를기준치와고찰한결과를 Table 3 에정리하였다. Table 3 의결과에서나타내듯이천단변위가허용기준을초과하므로기존지하철의안정성 Fig. 5. Analysis result. 한국안전학회지, 제 31 권제 2 호, 2016 년 59

Tunnel Ground Lining bending axial settlement

stress (MPa) (kn) Result 5.509 1.108 4.042 6.582 3.

어려움이 있으므로 본 논문에서는 Fig. 6 와 같이 4개의 Case에 대한 시공방안을 제시하였다.

외측 으로 시공하는 방안을 제시하였고, Case 2는 시공순서 는 Case 1과 동일하나 분할 횟수를

Case 3은 Case 2와 같이 분할횟수를 증가시키고 추가 로 구조물 시공완료 후 고정하중(30

Case 4는 Case 2와 같이 분할횟수를 증가 시키고 추가로 구조물 시공완료 후 앵커를 보강하는

또한 Case별 해석결과를 기 준치와 고찰한 결과를 Table 4에 정리하였다.

4 정지승 최재영 이진혁 Table 3. Summary of results Section Shotcrete Rockbolt Crown Tunnel Ground Lining bending axial settlement convergence settlement stress compressive force (MPa) stress (MPa) (kn) Result Allowable values Safty N.G O.K NG OK O.K O.K 5.2 본 논문에서 제안하는 시공방안 재래적인 지하차도 건설 방안으로는 기존 지하철 안 정성 확보에 어려움이 있으므로 본 논문에서는 Fig. 6 와 같이 4개의 Case에 대한 시공방안을 제시하였다. Case 1은 재래적인 시공방안과 다르게 응력해방의 규 모를 최소화하기 위해 기존 지하철 직상부로부터 외측 으로 시공하는 방안을 제시하였고, Case 2는 시공순서 는 Case 1과 동일하나 분할 횟수를 증가하는 방안이다. Case 3은 Case 2와 같이 분할횟수를 증가시키고 추가 로 구조물 시공완료 후 고정하중(30 kn/m2)을 재하 하 는 방안이다. Case 4는 Case 2와 같이 분할횟수를 증가 시키고 추가로 구조물 시공완료 후 앵커를 보강하는 방안이다. Case별 수치해석 변위 및 응력결과를 Fig. 7 Fig. 10에 정리하였다. 또한 Case별 해석결과를 기 준치와 고찰한 결과를 Table 4에 정리하였다. Table 4의 결과에서 알 수 있듯이 천단변위가 허용 기준을 초과하므로 기존 지하철의 안정성 확보를 위해 재래적인 시공방안보다 새로운 시공방안을 검토해야 한다. a) Case 1 b) Case 2 c) Case 3 d) Case 4 Fig. 6. Proposed construction methods. 60 Fig. 7. Analysis result [Case 1]. Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 2, 2016

5 지하차도 건설에 따른 기존 지하철터널 안정성에 대한 연구 Fig. 8. Analysis result [Case 2]. 한국안전학회지, 제31권 제2호, 2016년 Fig. 9. Analysis result [Case 3]. 61

시공순서개선 + 다분할굴착 + 고정하중재하 ) 과 Case 4( 시공순서개선 + 다분할굴착 + 앵커보강 ) 에대한시공방안에대해수치해석을실시하였다. Case 1~4 에대한수치해석결과를 Table 4 에정리하였다.

679 mm 로재래적인방법에의한천단변위 (5.509 mm) 보다작게산정되어응력해방을최소화하는효과가있음을알수있었다. Table 4.

Shotcrete bending compressive stress (MPa) Rockbolt axial force (kn) Case 1 4.083 1.557 2.960 6.564 3.106 44.24 Case 2 3.676 1.

95 Allowable values 3.0 3.0 3.0 9.6 8.4 88.67 특히분할횟수증가로인한소규모굴착이기존지하철터널의응력해방억지에는효과가있다고판단된다.

6 정지승 최재영 이진혁 5.3 고찰 본연구에서는재래적인방법으로지하차도를시공할경우지하차도하부에위치한지하철터널의변위가서울도시철도에서제시하는기준치를초과하므로 Case 1 ( 시공순서개선 ), Case 2( 시공순서개선 + 다분할굴착 ), Case 3( 시공순서개선 + 다분할굴착 + 고정하중재하 ) 과 Case 4( 시공순서개선 + 다분할굴착 + 앵커보강 ) 에대한시공방안에대해수치해석을실시하였다. Case 1~4 에대한수치해석결과를 Table 4 에정리하였다. 응력해방규모를최소화하기위해기존지하철직상부부터굴착하여지하차도외부로굴착하는방안 (Case 1) 및굴착순서는동일하면서도응력해방을보다최소화하기위한분할횟수증가방안 (Case 2) 은천단변위가 mm, mm 로재래적인방법에의한천단변위 (5.509 mm) 보다작게산정되어응력해방을최소화하는효과가있음을알수있었다. Table 4. Numerical value analysis result summary Section Crown settlement Tunnel convergence Ground settlement Lining stress (MPa) Shotcrete bending compressive stress (MPa) Rockbolt axial force (kn) Case Case Case Case Allowable values 특히분할횟수증가로인한소규모굴착이기존지하철터널의응력해방억지에는효과가있다고판단된다. 그러나, 지보재응력은모두허용기준치이내로안정성을확보하는것으로나타났으나, 천단변위는허용기준치 3.0 mm 를만족하지못하는것으로나타나터널의안정성을확보하지못하는것으로판단된다. 분할횟수증가인다분할굴착이응력해방에는효과있다고판단되어 Case 2 의방안에추가로응력해방을억지하기위해고정하중을재하하는방안 (Case 3) 과동일한효과인앵커보강방안 (Case 4) 의경우천단변위가 mm 로허용치인 3.0 mm 를만족하고라이닝응력, Shotcrete 압축응력, 록볼트축력도허용치를만족하여터널의안정성을확보할수있을것으로판단된다. Fig. 10. Analysis result [Case 4]. 6. 결론 본논문에서는운행중인기존지하철상부에지하 62 Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 2, 2016

7 지하차도건설에따른기존지하철터널안정성에대한연구 차도건설과같은대규모의굴착시기존지하철의안정성을평가하기위해 3 차원유한요소해석을수행하였다. 그결과얻은결론은다음과같다. 1. 지하차도건설을위한굴착시재래적인시공방안은지하차도외측부터굴착하여내부로굴착하는방안으로이경우기존지하철의응력해방이커져서천단변위가기준치를크게초과하여다른시공방안이필요하다고판단된다. 2. 응력해방규모를최소화하기위해기존지하철직상부부터굴착하여지하차도외부로굴착하는방안및굴착순서는동일하면서도응력해방을보다최소화하기위한분할횟수증가방안은천단변위가작게산정되어기존지하철터널의응력해방을최소화하는효과가있음을알수있었다. 3. 기존지하철터널상부의굴착으로인한응력해방을보다최소화하는방안으로는연직방향으로추가의하중을재하하는방안이효과적임을알수있었다. 이경우현장여건상불확실성을내포하고있으므로앵커보강이보다효과적인방안이라판단된다. 단, 앵커설치는주변여건을고려하여계획하여야하며, 앵커보강시기반암의손상으로인해기존터널에유해한영향이없도록계획하여야한다. 본논문에인용된사례의경우는지반조건이풍화암 ~ 풍화토에위치하고있어대규모굴착이기존지하철의응력해방에미치는영향이컸을거라판단되며, 본조건보다양호한조건또는불량한조건에대해서는공사비및시공조건을고려하여시공전굴착방안에대한효과적인계획이필요할것으로판단된다. References 1) C. S. Yoo and A. R. Song, Effects of Tunnel Construction on an Existing Tunnel Lining, Journal of Korean Tunnelling and Unerground Space Association, Vol. 8, No.4, pp , ) H. S. Lee, D. Y. Kim, B. S. Chun and H. S. Jung, A Study on the Optimum Range of Reinforcement in Tunneling Adjacent to Structures, Journal of Korean Tunnelling and Unerground Space Association, Vol. 11, No.2, pp , ) J. M. Lee and S. D. Lee, Behavior of Building Lower Part Passage Tunnel due to Adjacent Ground Excavation, Journal of Korean Tunnelling and Unerground Space Association, Vol. 20, No. 5, pp , ) Y. S. Byun, K. S. Jung and B. S. Chun, A Case Study on Reinforcement Method by Excavation Adjacent to the Subway Tunnel using Numerical Analysis, Journal of Korean Geo-Environmental Society Conference, Vol. 12, No.9, pp.5-11, ) J. S. Chung, K. Y. Lee, Y. S. Kim and S. G. Lee, A Study on the Behaviour of Existing Subway Tunnel due to Demolition of Old Buildings and Construction of New Buildings, Journal of Korean Geo-Environmental Society, Vol. 15, No.10, pp.23-28, ) S. D. Lee, Tunnel Mechanics, CIR Co, pp , 한국안전학회지, 제 31 권제 2 호, 2016 년 63

14.531~539(08-037).fm

14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked