2013 년도한국철도학회논문집 KSR2013A106 운행중인도시철도직상부의초고층빌딩신축에따른지하구조물 안정성확보방안연구 이선길 본연구에서는잠실역구간중초고층빌딩이지하 8호선구조물직상부에근접시공되는구간에대하여지하철상부및측면굴착후신설구조물을시공하는경우기존 8호선구조물의안정성을종합적으로검토하기위해굴착및보조공법검토, 시공단계별상세안정성검토, 양압력안정성검토, 상부구조물시공시하중지지구조의안정성검토, 8호선운행중열차진동영향검토등을수행하였다. 1. 서론 최근도심에서는수평적확장의한계로수직적확장과지역적랜드마크의일환으로초고층빌딩의건설이활발해지고있으며, 도심지에서의초고층빌딩의건설은지하철, 지하차도, 각종매설관등의영향으로설계및시공뿐만아니라계획단계에서부터매우많은제약조건의극복이필요하다. 지하인프라시설이밀집한도심지에서초고층빌딩의건설은지반굴착시굴착에따른지반의변형으로지하시설물의균열, 지상건물및도로의침하, 대규모굴착으로인한지하수저하등다양한문제를유발시킬수있으며소음 진동에대한사회적인식도높아져시공중, 운영중민원발생및인접시설물관계기관의클레임이발생할가능성이매우높다. 또한사회간접시설물들은그기능을상실하였을시사회적파장이매우클수있으며, 특히지하철은대중교통으로서의존도가매우높아시설물에문제가발생했을경우사회적피해및복구를위한비용은천문학적일것으로예상된다. 따라서, 기시공된시설물과근접하여지반을굴착하는경우굴착깊이, 지반조건, 지하수조건등을고려한굴착공법및보강공법을면밀히검토해야하며, 수치해석적검토를통한안정성평가를수행하여기설구조물의안정성을검증하고근접시공에따른기존구조물의안정성을종합적으로검토하여안전한시공이되도록하여야한다. 서울도시철도공사시설처처장
2. 본론 본현장은서울시송파구신천동 29번지일대에위치하고있으며, 동쪽으로는송파구청 ( 지하2층, 지상 7층 ) 및한국통신송파전화국 ( 지하1층지상5층 ) 이있으며서쪽은 50m도로 ( 송파대로 ) 를이격하여롯데월드가있고, 남쪽으로는 25m 도로와석촌호수 ( 동호 ) 가위치하며북쪽으로근접하여지하철2호선과 8호선잠실역이위치하고있다. Fig. 2.1 공사구간현황도공사구간은 1차, 2차로구분되어있으며 1차공사구간의경우기시공구간이고지하철 8 호선통과구간인 2차공사구간은미시공구간으로구간별로적용된지하흙막이공법은 Table 2.1과같다. 구분 흙막이적용공법 1 차공사 ( 기시공 ) H-Pile + 앵커공법 : 동측및서측, 북측구간 슬러리월 + 앵커공법 : 남측구간 J.S.P 그라우팅 : 기시공된 H-Pile 구간 ( 북측및동측 ) S.G.R 그라우팅 : 신설구간 ( 동측및서측, 남측 )
Top-Down 공법 : 슬러리월 + 슬래브공법 ( 북측및동측, 서측구간 ) 슬러리월 + 슬래브공법 : 지하철본선 BOX 측면부 ( 아일랜드구간 ) 2 차공사 C.I.P + 버팀보, 앵커, 쏘일네일공법 : 지하철인접및횡단구간 H-Pile + 앵커공법 : 송파대로구간 M.S.G 그라우팅 : 지하철횡단및역사인접구간 지하수공법 굴착공사중지하철구조물시 종점부에 Deep Well 4 공설치 본현장은 1997년에지질조사를실시하였으며, 시추조사결과본지역의지질적특징은선캠브리아기의경기편마암복합체에해당하는호상편마암이기반암으로나타나며, 부분적으로운모편마암이잔류되어분포하고있다. 기반암의풍화대는전반적으로연약한발달을보이며, 그상부에는한강에의한퇴적된신생대제4기의충적층과홍적층이모래자갈형태로분포한다. 특히중요한지질구조로서단층이이지역을관통하는것으로추정되며본지역은그영향을상당히받은것으로판단된다. 지하철구조물상부굴착및측면굴착에따른구조물및궤도의안정성을검토하여적정굴착공법을선정하기위하여수치해석적방법을사용하였다. 본검토를위한해석프로그램은연속체해석이가능한범용유한요소해석프로그램인 MIDAS-GTS를사용하였고지반구성모델은 Mohr-Coulomb 탄소성모델을적용하였다. 굴착공법별안정성검토결과지하철구조물의수직변위의경우상부토피제거시가장많은변위가발생했으며상부토피제거및아일랜드굴착의선후관계에따른영향은작은것으로나타났다. 그러나수평변위의경우아일랜드선굴착조건에서다소크게발생하는것으로나타났으며변위방향또한상이한것으로나타났다.
최적의지반보강공법선정을위해쏘일네일링보강공법과지반보강그라우팅 + 쏘일네일링의두가지공법에대해수치해석을수행하여적용성을검토하였다. 수치해석을통한안정성검토구간은상대적으로시공계획이복잡한종점부를선정하였고 8호선상부지반조건은되메움토를적용하였다. 도심지에운행중인지하철구조물과인접하여초고층빌딩이시공되는현장사례를대상으로 8호선구조물상부에초고층빌딩의근접시공에따른지하철 8호선의안정성을종합적으로검토하고안전한시공이되도록하기위해굴착및지반보강공법검토, 시공순서를고려한 3 차원상세안정성검토, 양압력안정성검토, 8호선직상부대형구조물의하중지지구조의안정성검토, 8호선운영중인접구조물의열차진동영향검토등을수행하였으며그결과를요약하면다음과같다. 1. 지하철 8호선중앙부최적의굴착공법을선정하기위해수치해석을통한안정성검토결과, 8호선상부를선굴착하는공법과비교하여지하철구조물의측면을선굴착후상부토피를제거하는것이 8호선구조물의안정성측면과장비및굴착토반출입을고려한시공성측면에서유리한것으로판단되었다. 따라서, 아일랜드선굴착공법 ( 지하철구조물의측면을선굴착 ) 을 8호선근접구간의굴착공법으로선정하여 8호선구조물의안정성및시공성을확보할수있도록하였다. 2. 8호선시 종점부는 2열의 CIP 벽체가계획되어있으나지하철 8호선과의간섭으로인해근입심도를확보하지못하는취약한구간으로벽체변위최소화와구조물및가시설의안정성향상을위해수치해석을통한지반보강공법의적용성검토를수행하였다. 그결과, 쏘일네일링공법을적용하는경우최대수평변위가허용변위를초과하였으나지반보강그라우팅 + 쏘일네일링공법을적용하는경우에는최대수평변위가허용변위이내로크게감소하는것으로나타나변위발생최소화및구조물안정성증대를고려하여지반보강그라우팅 + 쏘일네일링공법을보강공법으로선정하여적용하였다. 3. 본연구의대상구간은초고층빌딩이기존지하철구조물에근접하여시공되는구간으로시공순서가매우복잡하고다양한구조물의간섭이예상되므로 3차원정밀안정성검토를통해 8호선의안정성을검증하였다. 8호선중앙부에대한검토결과, 지하철구조물과선로에대한변위는모두허용기준을만족하는것으로평가되었으며, 아일랜드구간의버팀보응력도허용치이내로발생하여안정성확보가가능한것으로판단되었다. 8호선시점부및종점부에대한안정성검토결과, 중앙부에비해상대적으로큰변위가발생하는것으로평가되었으나지하철구조물및선로에대한변위허용기준을모두만족하였다. 우각부에대한검토결과, 시점부의경우최대 70mm, 종점부의경우최대 44mm의변위가발
생하였으며모두허용기준을만족하여안정성확보가가능한것으로판단되었으나, 발생변위가허용기준에매우근접하여발생하므로시공시철저한시공및계측관리가요구되는것으로나타났다. 4. 8호선시점부, 중앙부, 종점부에대한양압력안정성검토결과, 각각안전율이 0.53, 0.56, 0.57로허용안전율 1.2를만족하지못하는것으로나타나지하수저감대책이필요한것으로나타났다. 지하수위저하를위한양수공법으로 Deep well 적용시영향반경산정을위해시점부및종점부에대하여수리해석을수행하였으며그결과 Deep well의영향반경은시점부약 17m, 종점부약 29.0m로검토되었다. 따라서, 지하철 8호선의양압력안정성확보를위해시점부및종점부에대한영향반경의평균값을고려하여총 7공의 Deep well을설치하도록계획하였다. 5. 트랜스퍼거더는지상구조물의하중을지지하며 RCD말뚝을통해하중을지반으로분산시켜지하철구조물에직접적인영향이없도록하는매우중요한구조부재이므로이에대한면밀한검토가필요하다. 트랜스퍼거더의구조안정성검토결과, 모든부재에서안정성을확보하는것으로나타났다. 또한, RCD말뚝에대한지지력및침하에대한안정성검토결과, 지지력및침하모두허용기준을만족하여안정한것으로평가되었다. 6. 지하철구조물과근접하여상부지상구조물이건설되므로운영중지하철열차진동에의한구조물의안정성을평가하기위하여 2차원열차진동해석을수행하였다. 열차진동해석결과, 트랜스퍼거더및지상구조물모두허용기준 5.0cm/sec를만족하여열차진동에의한구조물의안정성확보가가능한것으로평가되었다. 3. 결론 본연구를수행한근접시공현장사례와같이기존지하구조물에근접하여대형구조물이신설되는경우기존구조물의안정성확보를위해서는구조물시공시굴착영향이최소화되는굴착공법및지반보강공법을선정하고, 시공단계를고려한상세안정성검토를통한구조물안정성평가와함께상부에시공되는구조물의하중을주변지반으로분산시켜기존구조물에미치는영향을최소화할수있는하중지지구조의검토가매우중요할것으로판단되었다. 또한, 지하수의영향이예상되는경우에는굴착공사시구조물상부토피제거로인한양압력안정성검토를수행하여필요한경우에는지하수위저감대책을수립하여야할것으로판단된다.