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 Temporary Bridge Bearing Method Passing Underneath Existing Subway Structure 김진팔 * 박양후 ** 박승환 *** 조국환 **** Kim, Jin-Pal*, Park, Yang-Hoo**, Park, Seung-Hwan***, and Cho, Kook-Hwan**** Abstract 930 Subway station in Seoul Subway line #9 is under construction underpassing Seoul Subway line #2 which is the only circulation in Seoul Metropolitan. This study verified the application of the temporary bridge bearing method which is used to station construction under existing Subway line #2 of Subway line #9 construction. Temporary bridge bearing method was conducted using an numerical analysis calculated FEM program MIDAS CIVIL of the verified proposed Method by monitored through heavy instrumentation system during construction. The upward movement from removing loads on structure is usually not considered in design. The upward movement is not an important factor for the stability of structure due to the small amounts of movement. However, it is not ignoreable for the safety of railway operation, since the upward movement of rail is considered to be one of the most dangerous factors for safety in railway. Therefore, the upward movement characteristic should be considered for railway projects. The proposed method can be used for similar project with stability confidence and cost savings through the verification procedure from this research. Key words : Temporary bridge bearing method, Subway box structure, Safety of railway operation, Upward movement 요 지 서울지하철 9호선 930정거장은서울시의유일한순환노선인지하철 2호선하부를통과하는시공이이루어지고있다. 이연구에서는기존지하철 2호선정거장하부의 9호선건설에사용되는가교형받침공법의적용성을검증하였다. 가교형받침공법은 FEM 프로그램인 MIDAS CIVIL의수치해석을이용하여분석하였으며시공기간중계측기를통한모니터링을하여안정성평가를수행하였다. 구조상하중제거에따른상향변위는미미한값으로구조적안정성을위한중요한요인이아니기때문에일반적으로설계에서고려되지않는다. 선로의상방향변위는열차의주행안정성측면에서가장중요하게고려되어야할사항중에하나이다. 따라서철도의해석에서는상방향변위에대한검토가반드시필요하다고할수있다. 제안된공법은본연구에서검증된안정성및시공성을통해유사한현장에서유용한적용이가능할것으로사료된다. 핵심용어 : 가교형받침공법, 지하철 Box구조물, 주행안정성, 상향변위 1. 서론 1.1 연구배경및목적서울시의발전에따라사회간접자본인기반시설의건설이 대두되면서토지의효율적인이용과환경훼손의최소화, 도시경관과의조화등을고려한시설물계획및민원문제에대한대책이필요하다. 근래에는기존에시공된지하철터널등과상 하부로근접교차하는지하구조물의시공사례가급증하 **** 정회원. 팀장, 서울특별시도시기반시설본부, 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과박사과정 (E-mail: khcho@seoultech.ac.kr) ****Member. Manager, Seoul Metropolitan Infrastructure Headquarters, Doctor course, Dept of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology **** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과박사과정 ****Doctor course, Dept of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology **** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과석사과정 ****Master course, Dept of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology **** 교신저자. 정회원. 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과부교수 (Tel: +82-2-973-5866, Fax: +82-2-973-5866, E-mail: khcho@seoultech.ac.kr) ****Corresponding Author. Member. Associate Professor, Dept of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology - 111 -
고있으며, 과다한공사비와사고시큰피해를유발할가능성또한증가하고있다. 이에따른경제적이며, 안정적인시공법이요구되고있다. 서울시인구가 1030만명으로증가함과더불어서서울시의지하철노선또한아래 Fig. 1과같이총 9 개노선총연장 316 km로늘어났으며, 지하철총 1일이용승객수또한 690만명으로증가하였다. 본연구대상이된지하철 9호선 930 정거장은현재운행중인지하철 2호선구조물하부에건설중이며, 지하철 2호선은 1일이용승객 230만명으로전체서울시노선의 33% 를차지하고서울시에서유일한순환형노선이다. 만약 2호선하부굴착중에 2호선구조물의안정성에문제가생겨열차의운행이중단된다면그피해는계산할수없을만큼커질것이다. 그러므로 2호선구조물하부로구조물을시공하기위해서는무엇보다도 2호선구조물의안정성의확보가중요하다. 본공사는 Fig. 1에표시된지하철 2호선의하부를굴착하여정거장을만드는공사로써지하철 2호선 box 구조물이약 54 m 노출되어가교형받침공법으로지지하여공사를진행하고있다. 현재지하철기존구조물하부통과공법으로는언더피닝공법을주로적용한다. 언더피닝공법은기존구조물하부를받치고하부에구조물을축조하기위한공간을마련하는공법으로굴착을교번으로단계적으로시행하고굴착깊이에따라강재말뚝을순차적으로이어내리는공법으로기존에지하철구조물등 BOX구조물과교차시하부를받치는공법으로주로적용되어져왔다. 구체적인시공방법은 Fig. 2에나타내었다. 이에대한연구는다음과같다. Sato et al.(1990) 은일본에서의지하공간사용의역사와현재특정지점에서의지하공간의시공기술을위한프로그램을제시하였다. Ray (2004) 는언더피닝공법과그라우팅및마이크로파일을이용한구체적인시공사례들의장점과단점을설명하였다. Tovey (2006) 는지가의상승과인구의집중으로필요공간에대한수요가많아지는런던의상황을주목하여언급하고주택건물의지하실의적용과적정하게사용될수있는콘크리트와언더피닝시공법을제시하였다. Jia et al.(2009) 은기존 Fig. 2. Construction Method of Underpinning. 건물의지하공간을증축할때사용되는파일기초언더피닝공법적용의전과후과정을나누어건물의침하에대하여수치해석을통하여분석하였다. Yutaka et al.(1992) 은일본에서의지하철교차부에서의시공방법으로언더피닝공법을주로적용한다고언급하였다. 또한, 언더피닝공법을이용하여기존나고야지하철정거장밑으로새로운 6호선노선을건설할경우문제점및단계별시공과정을설명하였고시공현장에맞는개량한언더피닝공법의장점을설명하였다. 연구에적용된가교형받침공법은개량된언더피닝공법의한종류로서기존구조물을보존한상태에서하중을별도의구조체로전이시켜기존구조물하부에지하구조물을축조하는공법이다. 지지말뚝의이음없이지지층까지일괄천공근입시켜지지력을확보하므로기존구조물의안전한지지가가능하다. 또한, 전용받침보지지구조로하부작업공간확보 Fig. 1. Seoul Subway Line Map. Fig. 3. Comparison between Temporary Bridge Bearing Method and Underpinning Method. 112 한국방재학회논문집, 제 14 권 4 호 2014 년 8 월
Table 1. Comparison between Temporary Bridge Bearing Method and Underpinning Method Separation Temporary bridge bearing method Underpinning method Construction Period 18 months 27 months 확보할 수 있는 공법이 필요하게 되었다. 지상으로 노출된 구 조물인 경우 가벤트 형식의 임시구조물을 하부에 설치하여 지상 구조물의 시공성 및 안정성을 확보할 수 있다. 반면에 연구 대상 구조물은 지하에 매설된 운행 중인 지하철 2호선 본선 Box 54 m를 받치고 그 하부에 지하 3~4층 규모 정거장 Expense of construction 1.6 billions 2.08 billions 을 건설하게 되므로 경제성, 안정성, 시공성을 종합 고려한 공 법이 필요하게 되었다. 가 용이하여 인력굴착이 최소화되어 기존 언더피닝 공법보다 공사기간을 1.5배 단축시키므로 공사비를 1.3배 줄일 수 있다. Fig. 3과 Table 1에 가교형 받침공법과 언더피닝 공법을 비교 2.2 대상 구조물 현황 지반조사 결과 매립층은 1.4~6.5 m, 모래층은 3.9~6.6 m, 실트층은 1.1~1.3 m, 자갈층은 9.0~11.3 m, 풍화토는 0.3~2.2 m 하였다. 이에 따라 이 연구에서는 서울지하철 9호선 930정거장에서 의 가교형 받침공법을 이용한 지하철 교차부 시공법을 분석 하였다. 그리고 굴착을 진행함에 따라 발생하는 계측결과를 수치해석과 비교를 통하여 기존선 구조물의 안정성을 확인하 였다. 2. 대상 구조물 2.1 공사개요 연구 대상이 된 현장은 지하철 9호선 2단계 사업구간이다. 현재 운행 중인 지하철 2호선 구간의 종합 운동장 역 학생체 육관 앞 지하철 2호선 box 구조물 하부에 930 정거장이 신설 계획되었다. 이에 기존 지하철 2호선 Box 구조물의 안전을 Fig. 4. Diagram of Subway No 9 Line. Fig. 5. Present Condition of the Research Structure. 지하철 하부를 통과하는 가교형 받침공법 안정성 113
풍화암은 0.6~4.8 m, 연암은 0.4~13.7 m, 보통암은 2.8~4.6 m 경암은 6 m 이상으로 나타났으며, 충적층이 두껍게 분포하고 2호선 구조물 밑 정거장 구간은 연암~경암층인 전반적으로 양호한 상태를 보인다. 이 건설 프로젝트에서 궁극적인 목표 는 Fig. 5(c)와 같이 2호선 구조물 아래에 9호선 정거장을 만 드는 것이다. Fig. 5(b)와 같이 2호선 구조물을 지지하기 위해 서 가교형 받침공법을 적용하였으며, Fig. 5(a)와 같이 2호선 구조물의 현황은 폭 10.8 m, 높이 8.2 m, 연장 54 m, 토피 5.0 m 2 의 RC 콘크리트 박스 구조물 형식이며 총 하중은 94.1 kn/m 이다. Fig. 5(d)는 930 정거장의 단면을 나타내었다. 2.3 가교형 받침공법 시공 순서 가교형 받침공법의 시공순서는 Fig. 6에 나타내었다. 이에 Fig. 6. A Working Drawing of Temporary Bridge Bearing Method. 114 한국방재학회논문집, 제14권 4호 2014년 8월 Fig. 6. Continued.
Fig. 7. Review the Plans Before Construction. 대한설명은다음과같다. 1) 굴착후주변지반의붕괴로인한교란을방지하고자풍화암층까지케이싱을설치한다. 2) 설치된케이싱을통하여지지층까지파일을설치한다. 3) 지하철운행방향에따라서박스구조물의중앙부지층에서박스구조물아래부분지층까지굴착하고, 4) 박스구조물아래부분지층을그라우팅으로보강하였으며, 5) 거더지지받침보를설치한다. 그후거더지지보를거더지지받침보에설치한다. 6) 받침거더를거더지지보위지층에설치하며, 유압잭을거더지지보에설치한다. 그후유압잭을이용하여받침거더를구조물에밀착시킨다. 유압잭을설치하는동안 2호선구조물의수직변위를실시간으로모니터링한다. 7) 2호선구조물하부토사를굴착하며, 운행중인상부구조물의중요성을감안하여양측지지파일의침하에대비하여 Box 중앙에당초설계시구조계산에는반영되지않은예비보조파일을설치한다. 3단계에서 7단계까지반복하며전체개착할지역을최종굴착한다. 2.4 가교형받침공법시공사전검토안정적인 2호선 box 구조물하부굴토및과다변형을방지하기위하여사전보강방안을수립하였다. 굴토시지하수유입방지및지반강성증대를위해 2호선 Box 하부에그라우팅보강을계획하였다. 또한지하철 2호선구조물의횡방향하중에따른안정성을확보하기위하여거더받침상 하부에브라켓을 2중으로설치하였다. 3. 수치해석을통한안정성검증 3.1 모델링수치해석은유한요소프로그램인 Midas Civil을이용하여 Fig. 8. 3-Dimensional Modeling of the Modified Underpinning with Subway Box Structure. Member of Framework Bearing girder Girders supporting beams Bearing pile Auxiliary center pile Girders supporting bearing beam Table 2. Specification of Modeling Specification (mm) H-918 303 19 37 2H-498 432 45 70 8H-300 305 15 15 H-400 408 21 21 3H-400 408 21 21 Crosssectional area (mm 2 ) Modulus of elasticity (MPa) 38,730 210,000 77,010 210,000 13,480 210,000 21,870 210,000 25,070 210,000 Bracing L-90 90 10 1,700 210,000 수행되었다. 가교형받침공법으로지지된 2호선구조물은 Fig. 8과같이 3D 모델링을하였으며, 모델링의범위는 X방향 10.8 m, Y방향 8.2 m, Z방향 56 m이며 2호선구조물및강재 지하철하부를통과하는가교형받침공법안정성 115
는 Elastic으로 모델링 하였다. 또한, 지반은 고려되지 않은 구 조물 설계의 수치해석만을 수행하였다. 설계의 세부사항은 Table 2에 나타내었다. 지표면 교통하중은 15.2 kn/m2, 지하 2 2 철 하중은 30.2 kn/m, 기타하중 5.0 kn/m, 지하철 구조물 자중 90.8 kn/m2을 모델에 적용하였다. 3.2 수치해석 결과 구조물 처짐에 대한 해석결과는 Fig. 9, Table 3에 나타내었 다. 처짐은 받침거더의 중앙부에서 8.2 mm의 최대 처짐이 발 생하였으며 레일길이 10 m 기준으로 구조물의 시점과 종점으 로 부터의 상대적 변위를 검토한 결과 각각 5.6 mm, 5.6 mm 의 처짐이 발생함을 알 수 있었다. 가교형 받침공법이 구조물 하부 굴착에 있어 침하에 대한 안정성 확보가 가능할 것으로 해석되었다. 4. 시공 중 계측을 통한 안정성 검토 4.1 계측계획 지반조건, 주요구조물 등의 주변상황을 고려하여 현장여건 상 취약부 및 불안정 요인이 많은 지점에 계측기를 설치하였 다. 굴착 진행으로 인한 구조물의 침하를 계측하기 위하여 2 호선 구조물 내부에 총 30개소를 설치하였다. 계측기 현황은 Fig. 10, Table 4에 나타내었다. 4.2 침하량 계측결과 및 분석 도상침하계의 경우 Fig. 11, Table 6과 같이 설계 시 예측하 지 못한 시공이음부(60m) 부근에 최대 6.5 mm의 2호선 Box 구조물 융기가 관측되었으며, 이는 상부토사 제거에 의한 것 으로 판단된다. Box 구조물 상향변위는 Table 5에서 보는 바와 같이 국내 궤도유지보수기준의 직선 및 곡선부에서 각각 10 m 구간의 7 mm, 2 m 구간의 3 mm를 만족하나 유지보수기준에 근접하 는 융기량이 계측되었다. 그러나 상부토사를 제거하는 시점에서 가장 큰변화를 가져 왔으나 구조물토사를 완전히 제거하고 이후의 계측결과 받침 거더 공사를 위한 횡방향 굴착 시점부터 종료시점까지 최대 침하가 -3 mm 발생하였다. 수직방향으로 굴착이 수행된 시점 부터 현재까지 급격한 침하발생은 없는 것으로 관측되며, 최 대침하 -1 mm의 안정된 양상을 유지하고 있음을 알 수 있었 다. 따라서 운행중에 선로에 큰 변화가 발생하지 않아 열차의 안전운행에 차질이 예상되지 않았다. Fig. 9. Results from FEM Analysis. Table 3. Results by Numerical Analysis Displacement Analysis results (mm) Allowable displacement (mm) Fig. 10. Position of the Measuring Instrument. Maximum 8.2mm 25mm Table 4. Affair of Measuring Instrument Relative displacement Analysis results (mm) Allowable displacement (mm) Start point 5.6mm 7mm End point 5.6mm 7mm 116 한국방재학회논문집, 제14권 4호 2014년 8월 Sign Measuring instrument Spot Position of the instrument Settlement gage 30개소 2호선 내부
Table 5. Standards of Track Maintenance and Closing Construction Track maintenance standards Track closing construction standards Division Main track(mm) Length +10-2 Cross level 7 Longitudinal level Alignment Straight(About 10m in Rail length) 7 Curve(About 2m in Rail length) 3 Straight(About 10m in Rail length) 7 Length +2-2 Cross level 2 Longitudinal level Alignment Straight(About 10m in Rail length) 4 Straight(About 10m in Rail length) 4 Fig. 11. Position of the Measuring Instrument. Table 6. Measurement of the Settlement Test date Measured settlement (mm) Estimated settlement (mm) September, 2010(early test) 0 mm -5.6 mm(downward) January, 2011(after excavation of upper part earth and sand) 6.5 mm(upward) -5.6 mm(downward) August, 2011(during horizontal excavation) -3 mm(downward) -5.6 mm(downward) December, 2011(finished vertical excavation) -1 mm(downward) -5.6 mm(downward) 5. 결론 이연구에서는서울지하철 9호선 930정거장에서최초적용한가교형받침공법에대하여분석하였다. 이에따른결론은 다음과같다. 1) 가교형받침공법은언더피닝공법에비하여공사기간을 1.5배단축시킬수있으며, 공사비를 1.3배줄일수있다. 2) 수치해석및계측을통한구조물의침하특성은최대 지하철하부를통과하는가교형받침공법안정성 117
3mm로허용기준침하범위내에측정되었으며, 시공중구조물의안정성을확보할수있는보다발전된공법임을알수있었다. 3) 계측된상방향변위는국내궤도유지보수기준 ( 직선 : 7mm, 곡선 : 3 mm) 에는만족되나토피량이많을시더큰융기량예상된다. 따라서지하철도구조물시공시상방향변위에대한검토는반드시이루어져야할것으로생각된다. 4) 지하공간개발이증가함에따라제안된공법은경제성, 시공성, 안전성에서있어서기존언더피닝공법등보다크게향상된공법으로향후유용하게사용되어지하개발의좋은예시가될것으로생각된다. 감사의글이연구는한국건설교통기술평가원연구비지원 ( 과제번호 13PRTD-C060288-03) 에의해수행되었고, 이에감사드립니다. References Jia, Q, Zhang, X., and Ying, H.Q. (2009) Numerical analysis of settlement difference for pile foundation underpinning for constructing underground space, Rock and Soil Mechanics, Vol. 30, No. 11, pp. 3500-3504. Kordahi, Ray Z (2004) Underpinning Strategies for Buildings with Deep Foundaions, Massachusetts Institute of Technology, June. Korea Rail Network Authority (2012) Track maintenance standards, Track Maintenance Instrument. Masuda Yutaka, Minoshima Takayoshi, Haruo Makino (1992) Large-Scale Underpinning for an Underground Urban Railway Station, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 7, Issue 2, April, pp 133-140. Sato, K., Hanamura, T., Sanbongi, K., and Nishi, J. (1990) Underground space use in Japan, Civil engineering in Japan, Vol. 29, pp. 10-27. Tovey, A. (2006) Concrete in the ground: Bastments - Development and innovation in the UK, Concrete Engineering International, Vol. 10, No. 4, pp. 36-37. Received April 30, 2014 Revised May 30, 2014 Accepted July 28, 2014 118 한국방재학회논문집, 제 14 권 4 호 2014 년 8 월