† 교신저자, 한국시설안전공단, 진단본부 고속도로팀, P.E., Ph.D. E-mail : [email protected]
* 한국시설안전공단, 진단본부 고속도로팀, P.E., Ph.D. student, ** 한국시설안전공단, 진단본부 일반철도팀 *** 서울메트로 기술연구소
00역사 지하철 환승통로 주변지반 침하 원인 및 대책에 관한 연구
Inspeciton for Ground Settlement and Its Contermeasurement Under
00-Station Passenger Way Adjacent to Ground Excavation
윤태국† 추진호* 김홍균** 고희규*** 한동은***
Tae-Gook Yoon Jin-Ho Choo Hong-Kyun Kim Hee-Kyu Ko Dong-Eun Han
ABSTRACT
Ground settlement has been occurred at asphalt pavement above 00 station passenger way adjacent to ground excavation with SPS method. In this study, emergency inspection has been conducted 4 detailed areas by KISTEC; SPS, sewage box, 50m box in subway, and 00 station. Field description and previous reports have been analyzed with the elapsed years. Not only precise inspection with several NDTs but also stability analysis by FLAC have been performed to estimated the tendency of settlement at sunk pavement area. Additional monitoring system and water analysis from sewage and SPS have been examined to scrutinize the reason and maintenance for settlement.
1. 개요
지하공간의 굴착은 인접구조물에 영향을 미치게 되며 지표침하, 인접구조물의 결함 및 침하, 기초의 부등침하 등의 피해가 보고되고 있다. 국내에서 널리 사용되고 있는 NATM(또는 conventional tunnelling)의 굴착에 따른 붕괴의 범위는 굴착지반에 따라 붕괴가 터널내에만 관측되는 경우와 터널외 부에서도 관측되는 경우로 나누어 분석하고 있다(한국터널공학회, 2010). 도심지 구조물 주변 지역의 변위 저감을 고려한 굴착공법으로는 Front Jacking Method, SPS(Strut as a Permanent System), JES(Jointed Element Structure) 등이 있다. 본 연구는 신설구조물에서 기존 00역사와 환승통로를 연결 하는 공사 중에 지상부 도로포장이 여러 차례 지표침하가 발생되어 그 원인 및 환승통로 연결공사에 따 른 기존구조물의 영향을 평가하고자 한다. 2. 굴착에 따른 지표침하에 대한 연구 지반굴착은 흙막이 공법으로 대표되는 지상부 작업(한국시설안전공단, 2009, 석정우 등, 1994, 임희 대 등, 2001)과 지하공간의 작업(터널설계기준 해설서, 2009, ITA/AITES, 2006)으로 구분할 수 있다. 본 연구는 지하공간의 굴착에 따른 주변 침하에 대한 영역으로 제한하여 기술하였으며 동일 범주에서의 기존연구를 고려하였다. ITA/AITES(2006)에서는 도심지 천층에서의 터널굴착에 따른 현존하는 경험을 바탕으로 제안한 지표침하 계산방법과 기존구조물의 피해평가 기준을 정립하여 제시하였으며, 그림 1.과 같은 대표적인 피해유형을 Attewell 등(1986)의 연구를 인용하여 설명하였다. 김창용(1999)은 터널 공 사가 시공현장 주변에 위치한 인접구조물에 주는 손상을 평가하기 위해 47개의 매개변수(뒤틈각, 처짐 비, 침하량 등)를 활용하여 객관적인 지반거동 특성을 예측하고자 하였으며, 안성권(2009)은 트윈터널 시공으로 인한 지반거동 특성을 1/50 스케일로 모형실험하여 기존 제안식과 비교하여 개선한 연구를 실 시하였다. 기존연구 내용을 검토하여 본 연구에서 조사된 지표침하의 원인을 파악하였으며 합리적이며 경제적인 대책을 제안하였다.
그림 1. 지하공간 굴착에 따른 일반적인 인접구조물의 응답 (ITA/ATIS report 2006) 3. 00 지하철 환승통로의 현장조사 3.1 사고발생 경위 00역사 4번 출입구 주변의 아스팔트포장 침하가 2009년 6월5일, 6월12일, 8월28일, 10월28일 조사 되어 침하구간 주변에 그림 2.와 같이 지반보강 및 아스팔트 오버레이를 시공하였다. (좌) 1,2차 오버레이 (우) 3,4차 오버레이 그림 2. 지표침하구간 지반보강 및 아스팔트오버레이
3.2 조사 현장 설명 00역사 4번 출입구 지하1층 측벽을 제거하여 신설 구조물과 연결되는 환승통로는 그림 3.과 같이 SPS공법을 적용하여 신설구조물에서 기존구조물 방향으로 지하굴착되고 있었으며 상부로는 하수박스가 시공되어진 상태이다. 조사 구간의 중점구조물로는 SPS구간, 하수박스, 기존지하철 본선, 기존 00역사 로 나누어 현장조사를 실시하였다. 벽체 절단 1. SPS전경 2. 하수box 3. 지하철 1호선 00 역사 연결부 그림 3. 조사현장의 위치도 및 중점관리 구조물의 전경 3.3 중점구간별 조사내용 및 대책 3.3.1 SPS구간 신설구조물에서 하행 기울기로 기존구조물로 시공되는 SPS공법을 이용한 굴착구간의 결함은 그림 4. 와 같이 균열, 누수, 백태, 재료분리 등이 조사되었으며 강재의 변형은 없는 것으로 수직도의 측정으로 평가하였다. 또한, SPS 시공에 따른 기존구조물으 영향범위는 인력굴착 및 보호공블럭 훼손방지를 위한 시공시 유의사항과 SPS구조물의 균열 및 누수부에 대한 처리 후 신설구조물에 대한 시공이 될 수 있도 록 유지관리하도록 하였다. 5 4 3 2 1 0 개별강재의 수직도( '도) 30 25 20 15 10 5 S.P.S 개별 강재의 위치 좌측 기둥 우측 기둥 수직도 평가 조사된 결함패턴 기존 지하철 블럭보호공 노출구 SPS 구간 균열 및 누수 그림 4. SPS구간의 결함 및 조사현황
FLAC (Version 5.00) LEGEND 22-Dec-09 10:18 step 15036 -5.667E+00 <x< 1.077E+02 -1.567E+01 <y< 9.767E+01 Material model mohr-coulomb Marked Regions Fixed Gridpoints B X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
YYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYBX X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X-direction Y Y-direction B Both directions Beam Plot Beam Locations 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 (*10^1) 0.100 0.300 0.500 0.700 0.900 (*10^2) JOB TITLE : 1 hk FLAC (Version 5.00) LEGEND 22-Dec-09 10:18 step 15036 HISTORY PLOT Y-axis : 1 Y displacement( 50, 49) 2 Y displacement( 54, 49) 3 Y displacement( 59, 49) 4 Y displacement( 64, 49) 5 Y displacement( 68, 49) 6 Y displacement( 71, 49) 7 Y displacement( 73, 49) 8 Y displacement( 73, 44) 9 Y displacement( 67, 44) 10 Y displacement( 67, 41) 11 Y displacement( 73, 41) X-axis : Number of steps 4 6 8 10 12 14 (10 ) 03 -2.500 -2.000 -1.500 -1.000 -0.500 0.000 (10 )-03 JOB TITLE : 1 hk 그림 5. SPS 단계별 굴착에 따른 상부지표의 침하평가 모델(FLAC 5.0) 대상지반의 지하굴착에 따른 지표침하의 영향을 검토하기 위하여 그림 5.와 같이 FLAC을 이용한 지 반해석 결과 SPS 단계굴착으로 인한 지표침하가 예상되는 점을 감안하여 설계는 적정한 것으로 판단하 였으나 토피고가 5m 미만의 저토피구간, 상부 하수박스, 주변 00역사, 그리고 지하철 본선 구조물이 설 치되어진 점을 감안할 때 작은 시공결함으로도 주변 영향이 기존구조물의 피해가 될 수 있으므로 SPS 시공구간의 품질관리가 매우 중요할 것으로 분석하였다. 80 60 40 20 mg /L 하수박스 SPS_1 SPS_2 BOD COD pH Na Ca Ca Mg SO4 -2 Cl -그림 6. 하수박스의 바닥부 보호모르터 파손(좌) 및 수질시험 결과(우) 또한, SPS 굴착에 따른 소성영역의 확대는 상부지반의 변형을 야기하여 그림 6.과 같이 바닥부 보호 모르터의 파손등이 조사됨 점을 감안하여 기존 상부매설물인 하수박스의 하수유출이 SPS시공구간으로 유입되었을 것으로 판단하였다. 수질시험 결과(그림 6.(우)) 하수박스는 산성의 pH와 BOD, COD 및 증 발잔류물이 SPS 유입수에 비해 크게 조사된 반면 SPS구간은 지하수의 성분이 뚜렷하게 조사된 것으로 분석되었다. 수질조사의 내용은 하수박스의 하수성분과 SPS유입수의 성분의 구별정도만을 나타내는 지 표로 시공시 발생된 상부지표 침하 및 하수박스 바닥부 보호모르터의 파손을 감안할 때 SPS시공으로 인한 상부 지하매설물의 영향을 배제할 수는 없을 것이다. 따라서, 공사진행 정도에 따라 하수박스의 시 공이음부 및 바닥보호공 파손은 재시공하는 것이 향후 신설구조물 및 기존구조물의 유지관리를 위해 필 요할 것으로 판단된다. 3.3.2 하수박스 구간 하수박스의 유독가스를 30분간 측정한 이후에 맨홀을 개방한 상태에서 조사하였으며 SPS구간과 평행 하게 상부 매립되어진 하수박스의 결함은 균열, 철근부식, 재료분리, 파손 등이 조사되었다. 시공이음부 주변으로 바닥부 보호모르터가 부분적으로 파손된 것이 조사되었으나 SPS공사 이전의 자료가 없어 금
번 인접공사에 따른 파손인지의 명확한 판단은 불가하였다. 기타 인접공사에 따른 특징적인 결함은 조 사되지 않았다. 그림 7. 하수박스의 결함 및 조사현황 3.3.3 기존 지하철 본선 및 00역사 기존 2001년, 2006년 정밀안전진단 외관조사망도와 00역사 정밀정검 용역 및 계측보고서를 참고하여 금번 조사에 반영하여 결과를 분석하였다. 년차에 따른 외관조사망도는 지하철 보수이력, 조사 시점의 건기 및 우기의 환경 등을 고려하여 평가한 결과 주변 SPS시공에 따른 추가적인 결함의 발생개소 및 기존 결함의 진행은 없는 것으로 분석되어 인접공사에 따른 직접적인 구조물의 영향은 없는 것으로 판 단된다. 기존 지하철 본선은 그림 8.과 같으며 인접공사에 따른 영향을 판단하기 위해 계측기를 설치하 여 SPS 굴착기간 동안 측정한 내용이 그림 9.이다. 작업일보 및 굴착토의 반출량을 함께 도표화하여 굴 착토량에 따른 계측결과의 차이를 판단하고자 하였다. 또한, SPS 지하 굴착에 따른 지표침하와의 관련 성을 평가하고자 지표침하 기록을 추가적으로 표기하였다. 외관조사의 결과로 파악되지 못한 미세한 변 형을 파악하기위한 계측설비는 인접구조물 시공에서 매우 중요한 요소이며 향후 이에 대한 계획에서 시 공단계 및 준공에 이르는 전과정의 모니더링에 대한 자료 축척이 중요한 유지관리 요소가 될 수 있을 것이다. 벽체관통 예정 본선 00역사 그림 8. 지하철 본선 및 00역사의 위치도 및 결함
4차의 지표침하는 SPS의 굴착토량의 증가에 따른 영향으로 판단할 수 있으며 이에 따른 지하철 본선 구간의 영향은 허용범위로 계측되었다. 1,2차의 지표침하시의 굴착토량은 적으나 시공 초기의 가설재 설치의 시기 부적합, 저토피와 그라우팅 시기 부적절 등의 시공오차로 인한 국지적인 요인으로 향후 변 형은 조사되지 않았다. 4. 결론 지하공간의 굴착으로 인한 인접구조물의 영향은 균열, 누수, 파손 등의 국지적이며 그 정도가 크지 않 은 경우와 막장의 붕괴에 따는 지표침하로 상부구조물의 파괴와 그에 따른 2차적인 피해가 지하공간 굴 착현장에서 보고되어지고 있다. 금번 00역사 주변의 신설구조물에서 기존 지하철 구조물의 역사로 연결 되는 환승통로 공사는 SPS공법을 적용하여 지하공간 굴착에 따는 최소한의 지반변형 상태에서 시공하 고자 하였으나 4차례에 걸친 지상부 아스팔트포장부의 침하가 조사되었다. 조사 구간의 중점관리 구조물로는 지하공간을 굴착하는 SPS구간, 상부 매립구조물이 하수박스, 인접 구조물로 연결공사가 이루어질 00역사와 지하철 본선구조물을 선정하여 각 구조물별 기존 자료분석, 외 관조사 작성 및 분석, 계측자료 분석, 수질시험 결과 분석 등을 실시하여 다음과 같은 내용을 정리하였 다. (1) 기존지하구조물의 측벽과 관통하는 SPS구간은 기존구조물의 영향을 최소화하기 위해 진동저감 및 침하의 직접적인 요인이 될 수 있는 지보재 및 밀크그라우팅 주입시기의 현장품질관리를 중점관리하 도록 조치하였다. (2) 하수박스의 바닥부 보호모르터의 파손 원인은 명확하지 않으나 향후 하수박스의 기능회복 및 주 변지반의 2차적인 피해를 예방하기 위해 시공이음부 주변의 보호모르터를 재시공하도록 하였다. (3) 인접굴착에 따른 기존 지하철 본선의 미세한 변위는 계측되었으나 허용범위 이내로 구조물의 추 가적인 결함의 발생 및 진행은 조사되지 않았다. (4) 00역사 측벽 환승통로 철거시 진동저감 및 기존구조물의 보호 및 배수시스템의 정비에 중점관리 하여 유지관리하도록 조치하였다. (5) SPS 굴착직후 Strut를 시공하기 이전에 발생된 지반변형 및 밀크그라우팅을 주입하기 전에 발생 된 소성영역의 영향으로 지표침하가 발생한 것으로 추정되었으며, SPS 시공이후에는 아스팔트 오버레이 보수를 실시한 구간의 추가적이며 진행성의 지표침하는 조사되지 않았다 참고문헌 1. 석정우, 최광철, 김운영, 김명모, “모형실험을 통한 굴착시 인접 구조물의 침하량 평가”, 한국지반공학 회논문집, 제15권, 제2호, pp.17-27, 1999. 2. 임희대, 박수용, 고근식, “도심지 지반굴착으로 인한 주변 지반의 침하예측”, 대한토목학회논문집, 제 21권, 제1-C호, pp.39-47, 2001. 3. 안성권, “점성토 트윈 병렬 터널로 인한 지반침하 연구를 위한 모형실험”, 한국지반공학회논문집, 제 25권, 제 10호, pp.77-85, 2009. 4. 김창용, “도심지 터널굴착에 따른 지반거동 특성예측과 인접구조물 손상평가에 관한 연구”, 한국건설 기술연구원, 1999. 5. (사)한국터널공학회, “터널붕괴 사례집”, 2010. 6. (사)한국터널공학회, “터널설계기준 해설서”, 2009. 7. 한국시설안전공단, “안전점검 및 정밀안전진단 세부지침”, 2010. 8. 한국시설안전공단, “지반 굴착에 따른 인접시설물 안전관리 기준정립 연구”, 2009.
9. ITA/AITES Report 2006 on WG "Research", "Settlement induced by tunnelling in soft ground" Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.22, pp.119-149, 2007.
