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아진 여
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1 NATM 터널굴착시응력 - 간극수압연계 3 차원유한요소모델링을통한기존지하철터널의구조적안정성해석연구 Structural Stability Analysis Study for Existing Subway Tunnels Using a 3D Stress-Pore Pressure Coupled Finite Element Modelling of NATM Tunneling 공병승 * Kong, Byung-Seung Abstract In the new Seoul-Busan high speed railroad construction specially in area of city center passage the roadbed establishment is recommended the staibility for the existing subway tunnel segments of Busan subway 1st and 2nd lines regarding the appearance condition, a quality condition and the durability of the objective facility, and it evaluates the numerical analysis using MIDAS/GTS which leads the stability of the objective facility and investigatesd tunnels. Fundamental issues in tunneling under high groundwater table are discussed and the effect of groundwater on tunnel excavation was examined using a 3D stress-pore pressure coupled Finite-Element Method. Based on the results the interaction mechanism between the tunnelling and groundwater is identified. In the both of 1st and 2nd Line the maximum sinkage, unequal sinkage and the lining stress from numerical analysis are within permission and the damage degree is appearing to be disregarded. But it enforces necessary Pre-grouting in order to minimize an actual tunnel face conduct and when the tunnel is excavated it is also necessary to minimize the outflow possibility. 요 지 본연구는경부고속철도 ( 대구 ~ 부산 ) 도심통과노반신설공사중기존부산지하철 1 호선및부산지하철 2 호선구간에대한안정성에관한연구로서현장조사를실시하여대상시설물의외관상태, 품질상태및내구성능등을평가하고 MIDAS/GTS 를이용한수치해석을통해대상시설물및본선터널의안정성을검토하는데그목적이있다. 지하수위하에서터널이시공되는기본메카니즘과 3 차원유한요소해석응력 - 간극수압연계해석을수행한후라이닝작용하중, 막장안정성, 지표침하등지하수와터널굴착의상호관계를고찰하였다. 수치해석의결과 1, 2 호선의최대침하, 부등침하, 라이닝응력등은허용치이내이며손상정도는무시할수있는정도의경미한것으로나타나고있다. 그러나실제터널시공시막장거동을최소화하기위하여필요시 Pre-Grouting 을시행하여터널굴착시터널내유출수를최소화하는것이필요할것으로판단된다. Keywords : structural stability for existing subway, stress-pore pressure coupled analysis 핵심용어 : 기존지하철터널의구조적안정성, 응력 - 간극수압연계해석 * 정회원, 동서대학교토목공학과부교수 kongbs@dongseo.ac.kr 본논문에대한토의를 2009 년 12월 31일까지학회로보내주시면 2010년 3월호에토론결과를게재하겠습니다. 192 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( )

GTS를통한대상시설물및본선터널의구조적안정성을해석하여경부고속철도 ( 대구-부산 ) 구간의노반신설공사에따른안정성여부와, 4) 시공완료후실제계측에의한실계측치와의비교검토로이론및해석의타당성을밝히는데그목적이있다. 기존지하철과고속전철교차구간위치와이격거리는 Fig. 1, Fig. 2와같다. 구조물별심도 (G.L) 1호선천단 -12.14m 1호선하반 -22.

2 1. 서론 1.1 개요본연구는기존지하철터널구간인부산지하철 1호선좌천동역 ~ 범일동역구간 (16K300~16K400) 및부산지하철 2호선부암역 ~ 서면역구간 (21K140 ~ 21K240) 에대해 1) 현장조사를실시하여대상시설물의외관상태, 품질상태및내구성능등을평가하고, 2) 응력-간극수압을고려한 3차원연계해석의이론을소개하고, 3) 수치해석프로그램인 MIDAS/ GTS를통한대상시설물및본선터널의구조적안정성을해석하여경부고속철도 ( 대구-부산 ) 구간의노반신설공사에따른안정성여부와, 4) 시공완료후실제계측에의한실계측치와의비교검토로이론및해석의타당성을밝히는데그목적이있다. 기존지하철과고속전철교차구간위치와이격거리는 Fig. 1, Fig. 2와같다. 구조물별심도 (G.L) 1호선천단 m 1호선하반 m 14-3 천단 m 14-3 하반 m Fig. 1 지하철 1호선과의이격거리및위치 구조물별심도 (G.L) 2호선천단 m 2호선하반 m 14-3 천단 m 14-3 하반 m Fig. 2 지하철 2호선과의이격거리및위치 1.2 현장조사및안전진단본연구에서는경부고속철도 14-3공구노반신설공사시교차예정지점인부산지하철 1호선좌천동 역 ~ 범일동역구간내의 STA. 16K350과부산지하철 2호선부암역 ~ 서면역구간내의 STA. 21K190 을중심으로전 후 50m씩각각 100m 구간을대상으로외관조사를실시하였으며, 외관조사시측점간격은 10m로분할하고별도의조명시설과트로리및사다리등의접근장비를이용하여조사부재에최대한근접한후육안에의한외관조사를실시하였다. 외관조사시조사항목은균열상태 ( 길이, 방향, 폭등 ) 와진행성여부, 콘크리트의박리, 박락, 재료분리, 중성화진행상태, 보수 보강부위의변상등에주안점을두고조사하였다 ( 국토해양부, 2009) 지하철 1 호선 (1) 구조물현황본연구의대상구간은경부고속철도 14-3공구노반신설공사시교차예정지점인부산지하철 1호선좌천동역 ~ 범일동역구간내의 STA. 16K350 을중심으로전 후 50m씩 100m 구간으로서, 구조물현황은 Table 1과같다 ( 하우엔지니어링, 1998). (2) 라이닝균열, 누수및백태조사연구대상구간에대한준공도면및기존점검자료 ( 태조엔지니어링, 2004/8) 를이용하여라이닝의두께를조사하였다. Table 1 지하철 1호선의구조물현황구분현황구분현황 구간 좌천동역 ~ 범일동역 (16K300 ~ 16K400) 관리주체 부산교통공단시설처 설계사 ( 주 ) 대한컨설탄트, 형식 NATM 복선터널 ( 주 ) 삼우기술단시공사현대건설개통일 시공당시가장난공사구간으로서, 상부는경부선철도가횡단하고상가및주택가가위치하며, 토피고는 11m 정도 배수시주위지반의지하수저하및토립자유출로지반변위의우려가있어원형단면의비배수터널로설계및기타시공 철도횡단구간은터널 2m 상부에폭 14m, 길이 24m 의 Pipe Roof 보강 16K353 측벽부와 16K340 측벽부에대해콘크리트단면보강실시 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( ) 193

3 Table 2 지하철 1호선의비파괴검사결과 구분 내용 비고 콘크리트 비파괴시험강도 26 MPa 압축강도시험 설계기준강도 21 MPa Fig. 3 지하철 1 호선의횡방향군열 (cw 0.2, 16k311 : RS) 철근배근상태조사 중성화시험 염화물함유량분석 주철근량 - 철근피복두께의 배력철근량 - 장비의신뢰한계탐사심도초과로 피복두께 - 철근탐사불가 중성화심도 3.4 ~ 5.0mm 피복두께 58.5mm 기존설계도서참조 상태등급 b 염화물함유량 0.61kg/ m3 ~ 0.75kg/ m3상태등급 d 1 본구간에발생된균열은전체 13개소 (34m) 이며, 이중 0.3mm이상의균열은 4개소 (11m), 0.3mm미만의균열은 9개소 (23m) 로조사되었다. 2 균열의발생위치및형태는대부분천정부및측벽부의횡방향균열로서 NATM형식의터널에서발생하는일반적인형태의균열로판단된다. 3 16K310 ~ 16K317, 16K340 ~ 16K341 구간에서는보수부균열이일부확인되었으므로유지관리시주의관찰후필요한조치를취해야할것으로판단된다. 4 본구간의누수는대부분균열부에서발생하는선상누수 2개소 (8.0m) 와수밀성부족부위등에서발생하는면상누수 1개소 (0.5m2) 로조사되었으며, 현재누수량이많아서시공이음부및균열부로유도배수를하고있는부분이 25개소로조사되었다. 5 본구간의백태는시공이음부, 균열부및유도배수부주변으로누수와외부유입수에의해총 27 개소 (44.69m2 ) 에서조사되었다. (3) 비파괴검사본연구에서는콘크리트라이닝의품질상태, 시공상태및내구성능등을평가하기위하여콘크리트압축강도시험, 철근배근상태조사, 중성화시험등의비파괴시험을실시한결과, 콘크리트압축강도및중성화심도는대체로양호한상태인것으로나타났으며철근배근상태는피복두께가철근탐사장비 (RC Table 3 지하철 1호선의상태평가등급결과 항목 균열 누수 손상 박리 박락 백태 결함점수 항목 철근노출 중성화 염화물 배수상태지반상태갱문상태 결함점수 합계 비고 라이닝결함지수 (F) = 결함점수 /36 = 11.05/36 = 상태평가등급 C Radar) 의신뢰한계탐사심도를초과하여확인할수없었다. (4) 상태평가등급 터널 ( 안전점검및정밀안전진단세부지침 ) ( 국토해양부, 2009) 에의거하여대상구조물콘크리트라이닝의상태평가등급을산정한결과, 결함지수는 0.307로서대상구조물콘크리트라이닝의상태평가등급은주요부재에내구성, 기능성저하방지를위한보수가필요하거나보조부재에간단한보강이필요한상태인 C등급 으로확인되었다 지하철 2 호선 (1) 구조물현황본연구의대상구간은경부고속철도 14-3공구노 194 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( )

Table 4 지하철 2 호선의구조물현황 구분현황구분현황 구간 부암역 ~ 서면역관리주체 (21K140 ~ 21K240) 부산교통공단시설처 설계사 ( 주 ) 삼우기술단 형식 NATM 복선터널 시공사 동부건설 ( 주 ) 개통일 1996. 6.

4 Table 4 지하철 2 호선의구조물현황 구분현황구분현황 구간 부암역 ~ 서면역관리주체 (21K140 ~ 21K240) 부산교통공단시설처 설계사 ( 주 ) 삼우기술단 형식 NATM 복선터널 시공사 동부건설 ( 주 ) 개통일 기타 상당히양호한지질상태로서, 지하 7m 이하부터풍화암과연암위치 터널상부에서면 ~ 동의대를연결하는 6 차선의도로와경부선철도및동해남부선철도가개금교를통해횡단하며, 토피고는약 20m 정도 Table 5 지하철 2호선의비파괴검사결과 구분 내용 비고 콘크리트 비파괴시험강도 25.8 MPa 압축강도시험 설계기준강도 24 MPa 철근배근상태조사 중성화시험 주철근량 설계치의 99% 배력철근량 설계치의 112% 피복두께 설계치의 170% 중성화심도피복두께상태등급 2.5 ~ 3.3mm 92 ~ 105mm b Table 6 지하철 2호선의상태평가등급결과 항목 균열 누수 손상 박리 박락 백태 결함점수 항목 철근노출 중성화 염화물 배수상태지반상태갱문상태 결함점수 합계 4.6 비고 터널결함지수 (F) = 결함점수 /36 = 4.6/36 = 상태등급평가 A Fig. 4 지하철 2호선의철근노출 (21K174 : LS) 반신설공사시교차예정지점인부산지하철 2호선부암역 ~ 서면역구간내의 STA. 21K190 을중심으로전 후 50m씩 100m 구간으로서, 구조물현황은 Table 4와같다. (2) 라이닝균열, 누수및백태조사연구대상구간에대한준공도면및기존점검자료 ( 태조엔지니어링, 2004/7) 를이용하여라이닝의두께를조사하였다. 1 본구간에발생된균열은전체 4개소 (6.6m) 이며모두 0.3mm미만의균열로조사되었다. 2 균열의발생위치및형태는대부분측벽부의횡방향균열로서 NATM형식의터널에서발생하는일반적인형태의균열로판단된다. 3 본구간은누수및백태에대해서는대체로양호한상태이다. 4 본구간은박리 1개소 (0.23m2), 재료분리 1개소 (0.06m2) 및철근노출 2개소 (0.15m2) 가조사되었다. (3) 비파괴검사본연구대상구간콘크리트라이닝의품질상태, 시공상태및내구성능등을평가하기위하여콘크리트압축강도시험, 철근배근상태조사, 중성화시험등의비파괴시험을실시한결과, 콘크리트압축강도, 철근배근상태및중성화심도모두 Table 5와같이대체로양호한상태인것으로나타났다. (4) 상태평가등급 터널 ( 안전점검및정밀안전진단세부지침 ) ( 국토해양부, 2009) 에의거하여대상구조물콘크리트라이닝의상태평가등급을산정한결과, 결함지수는 0.128로서대상구조물콘크리트라이닝의상태평가등급은문제점이없는최상의상태인 A등급 으로확인되었다. 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( ) 195

5 2. 응력 - 간극수압 3 차원연계유한요소해석 2.1 수치해석개념 라이닝배면부에지하수가체류하면라이닝배면에과대한수압이작용하게되어터널의안정성을저하시킬뿐만아니라누수에의하여내부설비의기능저하, 라이닝의재질약화및유지관리상의문제등을초래할수있으므로, 터널설계시지하수의합리적인고려방안이요구된다. 일반적으로지하수를고려한터널의설계방법은크게두가지로분류하는데라이닝배면에지하수를유도하는배수공을매설하는배수공법과터널굴착후라이닝의주변을완전방수처리하여라이닝내부로지하수가침투하지못하도록하는비배수공법 ( 완전방수공법 ) 이있다. 배수터널의설계개념은배수시설이정상적으로가동된다는가정하에서수압의영향을고려하지않는것이일반적이다. 이가정은지하수위가터널하단부아래로저하되는경우에합당하지만, 지하수의공급원이충분하여지하수위의저하가크지않은하천인접구간등에서는침투력 (Seepage Force) 이라이닝에작용하므로수압을고려하지않으면터널안정성에문제가발생할수있다. 또한국내의지하철터널에서실제배수층을숏크리트층과라이닝사이에설치함으로서투수계수가적은숏크리트층에상당한수압이작용하게될가능성도존재한다 ( 유충식등, 2006). 터널굴착은지반 / 암반내의배수구를설치하는것과같은맥락이며따라서대상지반 / 암반의투수성에따라정도의차이는있으나터널내부로의지하수유입을야기시킨다. 이러한터널내지하수유입은주변수리학적조건에따라 Fig. 5(a) 와같이하상에시공되는터널의경우와같이터널내로서의지하수유입이발생하더라도주변에서지속적인지하수유입조건이성립될경우에는지하수위가일정하게유지되나 Fig. 5(b) 와같이지하수수위유입이지속적으로이루어지지않을경우에는지하수위가저하된다. 도심지터널설계의관점에서지반침하등지하수위의영향이터널시공에미치는영향을고려 (a) 지하수위유지조건 (b) 지하수위저하조건 Fig. 5 터널에서의지하수위조건 Fig. 6 지반침하메커니즘할때 Fig. 5(b) 와같이터널굴착으로지하수위가저하하는시공조건이보다중요하게다루어져야한다. 즉, Fig. 6에서와같이터널내부로의지하수유입시에는주변지하수위가저하되며지반내간극수압의저하는결국유효응력의증가로이어지게되어지반침하가발생하게된다 ( 유충식, 2004). 2.2 해석알고리즘 ( 구성방정식 ) 유효응력지반의간극수압은총응력에영향을주며, Terzaghi 의원리에따르면총응력 (σ) 은유효응력 (σ ) 과간극수압 (uw) 으로구분된다. 물은전단응력을받을수없다고가정되므로유효전단응력은총전단응력과같으며, 따라서식 (1) 과같이표현가능하다. 196 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( )

6 (1) 여기서간극수압은다시정상상태간극수압 (Psteady) 과과잉간극수압 (Pexcess) 으로분할하면식 (2) 로표현이가능하다. (2) 정상상태간극수압은지하수해석의결과로부터얻어지는입력자료로지하수면의높이에의해생성되며, 과잉간극수압은비배수재료거동을보이는재료의응력계산중에생성된다 (Tsuchiyama et al., 1988) 연계해석의지배방정식미소변화량으로표현된 Hooke의법칙을얻기위해역변환된탄성 Hooke의법칙을고려한다. 이때 E, ν는모두유효재료물성치이고, 식 (2) 에서정상상태성분의미분은영 (zero) 이므로다음식 (3) 과같이표현할수있다. 또는유량경계에의해발생하게된다. 지하수의유동이발생하면물과흙의골격사이의마찰력에의한침투력 (Seepage Force) 이발생하며, 이에의해변위와응력이발생한다 (Lee and Nam, 2001). MIDAS/GTS 는침투해석에서구한간극수압 (Pore Water Pressure) 을이용하여침투력의효과를적용하여이때간극수압은침투해석에서얻는전수두 (Total Head) 에서위치수두 (Elevation Head) 를빼서얻은압력수두 (Pressure Head) 에물의단위중량을곱하여산출한다 ( 유충식, 2004). 보통침투력은전수두의크기가급격히감소하는유출측경계에인접한영역에집중되며, 이영역은보통구속압력이작아서전단강도가작고, 인장강도도상대적으로작기때문에주변지반이불량한지층및파쇄대인경우침투압을고려한유효응력 (Effective Stress) 해석시지반이쉽게파괴될것이라판단된다 ( 이송등, 2009). 3.2 지하철 1 호선하부통과구간 개요 (1) 본선터널상부에지하철 1호선과 133 교차하여통과하는구간 ( 서기 ( 현 )408km 490) 으로근접시공에대한영향평가를수행하였다. (2) 대상지역의적용지보패턴은상 하반분할굴착을적용한 P-5-3-1을적용하였다. = (3) 3. 기존구조물의안정성평가수치해석 3.1 수치해석개요 지하수침투현상은침투영역주변경계의수두차 (3) 해석단면의범위는근접시공의영향을정확히반영할수있도록터널좌 우측 5D이상, 하부 3H, 상부는지표면까지모델링하여침투-응력을연계한 Coupled Analysis와 Non-Coupled Analysis 해석을수행비교분석하였다 ( 박진은등, 2008). 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( ) 197

3.2.2 해석모델링 (1) 지반및구조물 려한 Coupled Analysis 및지하수침투를무시한 Non-Coupled Analysis를수행하여비교한결과 Coupled 해석시본선천단침하 2.908mm 로 Non- Coupled Analysis보다 0.

7 지하철 1 호선의해석모델링 (2) 시공단계 구분시공단계구분시공단계 초기화 1 단계 2 단계 지하철 1 호선모델링후초기화수행 자천공다단그라우팅시공 (6m 간격 ) 상부 1 막장굴착 ( 굴진장 1m) 4 단계상부강성숏크리트시공 5 단계 6 단계 하부 1 막장굴착 ( 벤치길이

(a) 굴착전 (c) 상부 17m 굴착, 하부 14m 굴착단계 ( 구조물교차 3m 전 ) (b) 상부 7m 굴착, 하부 4m 굴착단계 ( 구조물교차 13m 전 ) (d) 상부 27

7 3.2.2 해석모델링 (1) 지반및구조물 려한 Coupled Analysis 및지하수침투를무시한 Non-Coupled Analysis를수행하여비교한결과 Coupled 해석시본선천단침하 2.908mm 로 Non- Coupled Analysis보다 0.985mm 추가발생하였으며, 지하철 1호선바닥침하는 2.930mm로 Noncoupled Analysis보다 0.948mm 추가발생하였다 (Table 7과 Fig. 9). (a) 해석 Mesh (b) 본선터널 (P-5-3-1) 모델링 Fig. 7 지하철 1 호선의해석모델링 (2) 시공단계 구분시공단계구분시공단계 초기화 1 단계 2 단계 지하철 1 호선모델링후초기화수행 자천공다단그라우팅시공 (6m 간격 ) 상부 1 막장굴착 ( 굴진장 1m) 4 단계상부강성숏크리트시공 5 단계 6 단계 하부 1 막장굴착 ( 벤치길이 3m) 연성숏크리트시공 + 록볼트시공 3 단계상부연성숏크리트시공 7 단계강성숏크리트시공 위표에나타난시공단계를기준으로 7단계가완료되면다음막장에서 1단계부터반복수행하여최종굴착까지수행하며, 총시공단계는 48단계로모델링하였다 (MIDAS/GTS, 2005). (a) 굴착전 (c) 상부 17m 굴착, 하부 14m 굴착단계 ( 구조물교차 3m 전 ) (b) 상부 7m 굴착, 하부 4m 굴착단계 ( 구조물교차 13m 전 ) (d) 상부 27m 굴착, 하부 24m 굴착단계 ( 구조물교차 7m 후 ) 수치해석결과 (1) 변위발생량지하철 1호선통과구간에대한지하수침투를고 (e) 상부 37m 굴착, 하부 34m 굴착단계 ( 구조물교차 17 m 후 ) (f) 굴착완료단계 ( 구조물교차 20m 후 ) Fig. 8 지하철 1 호선의시공단계해석모델링 본선터널천단변위 Table 7 지하철 1 호선의최종단계변위발생량비교 지하철 1 호선바닥부변위량 198 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( )

(2) 지보재응력발생량지보재응력검토결과숏크리트최대발생응력은 (a) 천단변위 ( 최종단계 ) 최대 2.908mm( ) 발생 7.24MPa로 Non-coulped Analysis보다 4.01MP a 추가발생하였으며, 록볼트최대축력은 58.7kN 으로 Non-coulped Analysis보다 33.

41MPa로나타났으며, Non- Coupled Analysis 해석시의수직방향유효응력은 0.21MPa, 수평방향유효응력 0.18 MPa 로각각 0.24 MPa, 0.23MPa 증가한것으로나타남.

73 MPa로나타나며허용치이내로만족한다 (Table 8). (3) 안정성평가 (b) 측벽변위 ( 최종단계 ) 최대 9.020mm 발생 Fig. 9 지하철 1 호선의고속철도본선터널의발생변위 3.3 지하철 2 호선하부통과구간 3.3.1 개요 숏크리트발생응력 Table 8 지하철 1 호선의시공단계별지보재응력발생량비교 록볼트축력비교 Table 9 지하철 1호선의안정성평가 항목 본선천단침하 본선숏코리트응력 1호선바닥침하 1호선부등침하량 1호선라이닝응력 Coupled Analysis 2.

8 (2) 지보재응력발생량지보재응력검토결과숏크리트최대발생응력은 (a) 천단변위 ( 최종단계 ) 최대 2.908mm( ) 발생 7.24MPa로 Non-coulped Analysis보다 4.01MP a 추가발생하였으며, 록볼트최대축력은 58.7kN 으로 Non-coulped Analysis보다 33.4kN 추가발생하였다. 이는지하수위감소로인한유효응력의증가및침투압에의한것으로판단되며, 지하수침투에따른유효응력의크기를검토하여보면 Coupled Analysis 해석시수직방향유효응력은 0.45MPa, 수평방향유효응력 0.41MPa로나타났으며, Non- Coupled Analysis 해석시의수직방향유효응력은 0.21MPa, 수평방향유효응력 0.18 MPa 로각각 0.24 MPa, 0.23MPa 증가한것으로나타남. 지하철 1호선하부통과구간본선터널에대해침투응력을고려한경우와고려하지않은 2가지조건에대해지보재응력및침하검토결과허용치이내발생하여안정한것으로판단됨. 지하철 1호선바닥부최대침하량은 2.930mm 발생로침투를고려한경우에서발생되었으며본선시공에의한라이닝추가발생응력은 2.73 MPa로나타나며허용치이내로만족한다 (Table 8). (3) 안정성평가 (b) 측벽변위 ( 최종단계 ) 최대 9.020mm 발생 Fig. 9 지하철 1 호선의고속철도본선터널의발생변위 3.3 지하철 2 호선하부통과구간 개요 숏크리트발생응력 Table 8 지하철 1 호선의시공단계별지보재응력발생량비교 록볼트축력비교 Table 9 지하철 1호선의안정성평가 항목 본선천단침하 본선숏코리트응력 1호선바닥침하 1호선부등침하량 1호선라이닝응력 Coupled Analysis 2.908mm 7.24MPa 2.930mm rad 6.5MPa Non-Coupled Analysis 1.923mm 3.23MPa 1.982mm rad 4.01MPa 관리기준치 20 ~ 50mm 8.4MPa 25mm rad 9.6MPa 안정성평가 안정 안정 안정 안정 안정 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( ) 199

(1) 본선터널상부에지하철 2호선과하부이격거리 13.99m를통과하는구간서기 ( 현 )406km 032 으로근접시공에대한영향평가가필요한구간이다. (2) 대상지역의적용지보패턴은 TBM 선굴착및상 하반분할굴착을적용한 P-2에해당한다. (3) 해석단면의범위는지하철 1호선과동일하다. (a) 굴착전 (b) TBM 15m 굴착 ( 구조물교차 15m 전 ) 3.3.2 해석모델링 (1) 지반및구조물 (c) TBM 30m, 상부 16m, 하부 10m 굴착 ( 구조물교차지점 ) (d) TBM 45m, 상부 36m, 하부 30m 굴착 ( 구조물교차 15m 후 ) (a) 해석 Mesh (b) 본선터널 (P-2) 모델링 (2) 시공단계 Fig.

5m) 6 단계강성숏크리트시공 2 단계 연성숏크리트시공 + 록볼트시공 7 단계 3 단계강성숏크리트시공 8 단계 4 단계 상부 1 막장굴착 ( 굴진장 2m) 하부 1 막장굴착 ( 벤치길이 6m) 연성숏크리트시공 + 록볼트시공 9 단계강성숏크리트시공 (e) TBM 굴착완료, 상부 50 m, 하부 15m 굴착 ( 구조물교차 20m 후 ) (f) 굴착완료단계

9 (1) 본선터널상부에지하철 2호선과하부이격거리 13.99m를통과하는구간서기 ( 현 )406km 032 으로근접시공에대한영향평가가필요한구간이다. (2) 대상지역의적용지보패턴은 TBM 선굴착및상 하반분할굴착을적용한 P-2에해당한다. (3) 해석단면의범위는지하철 1호선과동일하다. (a) 굴착전 (b) TBM 15m 굴착 ( 구조물교차 15m 전 ) 해석모델링 (1) 지반및구조물 (c) TBM 30m, 상부 16m, 하부 10m 굴착 ( 구조물교차지점 ) (d) TBM 45m, 상부 36m, 하부 30m 굴착 ( 구조물교차 15m 후 ) (a) 해석 Mesh (b) 본선터널 (P-2) 모델링 (2) 시공단계 Fig. 10 지하철 2 호선의해석모델링 구분시공단계구분시공단계 초기화 지하철 2 호선모델링후초기화수행 5 단계 연성숏크리트시공 + 록볼트시공 1 단계 TBM 굴착 ( 굴진장 1.5m) 6 단계강성숏크리트시공 2 단계 연성숏크리트시공 + 록볼트시공 7 단계 3 단계강성숏크리트시공 8 단계 4 단계 상부 1 막장굴착 ( 굴진장 2m) 하부 1 막장굴착 ( 벤치길이 6m) 연성숏크리트시공 + 록볼트시공 9 단계강성숏크리트시공 (e) TBM 굴착완료, 상부 50 m, 하부 15m 굴착 ( 구조물교차 20m 후 ) (f) 굴착완료단계 Fig. 11 지하철 2 호선의시공단계해석모델링 위표에나타난시공단계를기준으로 9단계가완료되면다음막장에서 1단계부터반복수행하여최종굴착까지수행하며, 총시공단계는 47단계로모델링하였다 (MIDAS/GTS, 2005) 수치해석결과 본선터널천단변위 Table 10 지하철 2 호선의최종단계변위발생량비교 지하철 2 호선바닥부변위량 200 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( )

지하철 2호선통과구간에대한지하수침투를고려한 Coupled Analysis 및지하수침투를무시한 Non-Coupled Analysis를수행하여비교한결과 Coupled 해석시본선천단침하 0.652mm 로 Noncoupled Analysis보다 0.08mm 추가발생하였고, 지하철 2호선바닥침하또한, 0.522mm로 0.

88MPa로 Non-coupled Analysis 보다 0.19M Pa 추가발생하였으며, 록볼트최대축력은 8.5kN 으로 Non-coupled Analysis보다 1.8kN 추가발생하였다. 이는터널시공이경암지반에시공되어암반강도가양호하며투수계수가낮으므로지하수위의감소가크게이루어지지않아유효응력의증가및침투압에의한영향이미미한것으로보인다.

10 지하철 2호선통과구간에대한지하수침투를고려한 Coupled Analysis 및지하수침투를무시한 Non-Coupled Analysis를수행하여비교한결과 Coupled 해석시본선천단침하 0.652mm 로 Noncoupled Analysis보다 0.08mm 추가발생하였고, 지하철 2호선바닥침하또한, 0.522mm로 mm 추가발생하였다 (Table 10, Fig. 12). (a) 천단변위 ( 최종단계 ) 최대 0.652mm( ) 발생 (b) 측벽변위 ( 최종단계 ) 최대 1.092mm 발생 Fig. 12 지하철 2호선의고속철도본선터널의발생변위 (1) 변위발생량 (2) 지보재응력발생량지보재응력검토결과숏크리트최대발생응력은 0.88MPa로 Non-coupled Analysis 보다 0.19M Pa 추가발생하였으며, 록볼트최대축력은 8.5kN 으로 Non-coupled Analysis보다 1.8kN 추가발생하였다. 이는터널시공이경암지반에시공되어암반강도가양호하며투수계수가낮으므로지하수위의감소가크게이루어지지않아유효응력의증가및침투압에의한영향이미미한것으로보인다. 지하수침투영향전 후의유효응력크기를검토하여보면 Coupled Analysis 해석시수직방향유효응력은 0.50MPa, 수평방향유효응력 0.39MPa로나타났으며, Non-Coupled Analysis 해석시의수직방향유효응력은 0.41MPa, 수평방향유효응력 0.30MPa로 숏크리트발생응력 Table 11 지하철 2 호선의시공단계별지보재응력발생량비교 록볼트축력비교 Table 12 지하철 2호선의안정성평가 항목 본선천단침하 본선숏코리트응력 2호선바닥침하 2호선부등침하량 2호선라이닝응력 Coupled Analysis 0.652mm 0.88MPa 0.522mm rad 7.72MPa Non-Coupled Analysis 0.572mm 0.69MPa 0.518mm rad 7.81MPa 설정근거 10 ~ 20mm 8.4MPa 25mm rad 9.6MPa 안정성평가 안정 안정 안정 안정 안정 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( ) 201

11 각각 0.09MPa 씩증가한것으로나타남. 지하철 2호선하부통과구간본선터널에대해침투-응력을고려한경우와고려하지않은 2가지조건에대해지보재응력및침하검토결과허용치이내로안정한것으로판단됨. 지하철 2호선바닥부최대침하량은 0.652mm발생으로침투를고려한경우에서발생되었으며본선시공에의한라이닝추가발생응력은 3.07 MPa로나타나며허용치이내로만족하였다 (Table 11). (3) 안정성평가 4. 결론 4.1 수치해석검토결과경부고속철도 14-3공구노반신설기타공사와관련하여지하철구조물 (1,2호선) 하부통과시공구간에대해침투-응력연계한 Coupled Analysis 와터널굴착면침투를무시한 Non-Coupled Analysis 를수행하여고속철도본선터널의변위량및지보재응력검토를통해안정성평가를수행하였으며, 상부지하철구조물의바닥부침하, 부등침하, 라이닝응력발생량을비교분석하였다. 상부구조물인지하철 1호선, 2호선의최대침하, 부등침하, 라이닝응력등은허용치이내이며손상정도는무시할수있는정도의경미한것으로나타나고있다. 고속철도본선터널의변위량, 지보재응력또한허용치이내로안정성을확보한것으로판단된다. 그러나실제터널시공시막장거동을최소화하기위하여필요시 Pre-grouting을시행하여터널굴착시터널내유출수를최소화하는것이필요할것으로판단되며, 특히지하철 1호선구간의경우동래단층대통과로인한지층변화가심할것으로판단되므로막장면관찰및계측자료분석을통해철저한시공관리를수행하여야할것이다. 4.2 실제계측치와의비교분석검토결과 (1) 1호선의경우경부고속철도상반막장은 07/ Table 13 지하철 1호선의계측결과요약 구분 바닥침하 각변위 구조계산서 2.98mm 1/7,751 Coupled Analysis 안정성검토 Non-Coupled Analysis 계측결과 2.932mm m ~ 0.924mm rad (1/9,259) rad (1/34,843) 1/42,662 ~ 1/3,743 Table 14 지하철 2호선의계측결과요약 구분 바닥침하 각변위 구조계산서 6.11mm 1/64,300 Coupled Analysis 안정성검토 Non-Coupled Analysis 0.522mm 0.518mm rad (1/156,006) rad (1/172,711) 계측결과 ~ 0.361mm 1/119,412 ~ 1/5,623 10/10, 하반막장은 08/1/15에중앙하부를통과하였고, 2호선의상반막장은 07/6/23, 하반막장은 07/ 10/10에중앙하부를통과하여현재는영향권을충분히벗어난지점에막장면이위치하고있다. (2) 계측결과와안정성검토, 구조계산서상의수치에대한비교는 Table 13, 14와같이지하철구조물의변형은거의없어매우안정하며, 이는지반여건이설계당시의암질보다양호한상태로나타났고진동제어굴착및조기보강작업과출수관리, 시공속도조절등의정밀시공을통하여지하철구조물에미칠수있는영향을최소화하였던것으로분석된다. (3) 현재까지의계측결과 ( 관련계측포함 ), 시공상태, 지반여건및영향권 ( 이격거리 ) 을고려하여종합적으로분석하면터널구조물및배면지반, 지하철구조물은안정된상태로평가되고지하철구조물에추가적인영향은발생하지않을것으로사료된다. 감사의글 본연구는동서대학교교내특별연구과제의지원으로완성되었으며, 이에감사드립니다. 202 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( )

12 참고문헌 1. 국토해양부, 터널 ( 안전점검및정밀안전진단세부지침 ), MIDAS/GTS 매뉴얼 3권, Analysis Reference, 박진은, 경갑수, 이준호, 윤철희, 굴착심도변화에따른원형수직구 Ring Beam의거동분석, 한국구조물진단학회지, VOL. 12. NO , pp 유충식, 응력-간극수압 3차원연계해석을통한터널굴착과지하수의상호작용고찰, 한국지반공학회논문집, 제20권 3호, , pp 유충식, 김선빈, NATM 터널의응력-간극수압연계유한요소모델링, 한국지반공학회논문집, 제22권 10호, , pp 이송, 국중진, 정민형, 굴착에따른인접제방의파이핑해석, 학국구조물진단학회지, VOL. 13. NO. 1, , pp 태조엔지니어링, 경부고속철도 14-3공구부산지하철 2호선부암역 ~ 서면역구간정밀안전진단보고서, 태조엔지니어링, 경부고속철도 14-3 공구부산지하철 1호선좌천동역 ~ 범일동역구간정밀안전진단보고서, 하우엔지니어링 부산지하철 1호선정기점검보고서, Lee, I.M. and Nam, S.W., The Study of seepage forces acting on the tunnel lining and tunnel face in shallow tunnels, Tunnelling and Underground Sapce Technology, 2001, Vol.16, pp Tsuchiyama, S., Hayakawa, M., Shinokawa, T. and Konno, H., Deformation behavior of the tunnel under the excavation of crossing tunnel, Numerical Methods in Geomechanics, Balkema, Rotterdam, 1988, pp ( 접수일자 : 2009 년 4 월 17 일 ) (1 차수정일자 : 2009 년 6 월 29 일 ) ( 심사완료일자 : 2009 년 8 월 31 일 ) 구조물진단학회지제 13 권제 6 호 ( ) 203

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