IEG 환경지질연구정보센터

대도시에서의 지하공간 활용과 필요 기술

이 홍 규 Hong-Gyu Lee

1)

두산건설(주) 기술연구소, Technology Research Institute, Doosan Engineering & construction

주요어: 지하공간, 대심도

1. 서론

대도시에서는, 철도, 전기, 가스, 전기 통신, 상하수도 등의 철도나 관로가 지하에 매설되어 있 다. 이러한 시설은, 주로 공공용지인 도로 하부에 매설되어 있는 경우가 많고, 대단히 혼잡한 상태 에 있고, 지금까지의 지하 이용이 건설이 용이한 얕은 지하로부터 이용되어 왔기 때문에 새로 건 설되는 시설은 기존 시설보다 깊은 지하에 설치할 수밖에 없어 점차 그 심도는 깊어지고 있다.

또한 현행의 천심도 또는 저심도를 지하철 또는 도로 등이 통과함에 따라 발생하는 기술적 문제 점과 민원발생, 지하굴착에 따른 교통흐름의 차단, 통행 불편, 용지 보상비 증가 등은 사회적 문제 가 되었고, 현상황과 같은 수평적 지하공간 확대는 포화상태에 이르렀다.

이러한 문제점들을 최소화하고, 지하 구조물의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 방법으로서 대 심도 지하공간 활용이 필요하다.

본 논문에서는 대도시에서의 지하공간 활용 현황 및 사례, 대심도 지하이용 시의 법적 문제점, 지질공학자들이 활약해야 하는 필요 기술에 대해 기술한다.

2. 지하 이용 현황 및 과제

국내 대도시인 서울, 부산, 대구 도시철도 역사의 총 수는 444개소이고, 지상73개소, 지하 371개 소로 구성되어 있다. 도시철도의 노선과 역사는 대부분 도로를 따라 계획되어 있어 최근에 신설되 는 노선들은 기존 도시철도 노선의 하부를 통과하도록 계획하고 있기 때문에, 지하공간의 이용이 고밀화되면서 도시철도 노선과 역의 심도가 점점 깊어지고 있는 추세에 있다. 대도시권 도시철도 심도는 약 20m 심도에 분포하고 있고, 최대 심도는 서울 8호선 산성역 53.9m, 부산 3호선 만덕역 66m, 대구 2호선 이곡역 32.5m이나, 이는 지형적인 이유로 심도가 깊어졌다 (표 1).

또한 2009년 현재 서울특별시에서 지상 20층 이상의 초고층 건축물에 대한 지하 규모는 지하 8～9층까지 설치되어 있으며, 최대 심도는 36m, 평균 심도는 23m이다 (김현 외, 2009).

* 교신저자: [email protected]

구 분 서울 지역 부산 지역 대구 지역

1∼4호선 5∼8호선 1∼3호선 1∼2호선

평균 지하 심도 15.4m 21.1m 18.5m 20.7m

평균 지하 층수 2.45층 3.25층 2.7층 2.9층

지하 30m 이상

역사 수 1개소 14개소 4개소 3개소

최대 심도 역사 4호선 남태령역 (지하 37.2m)

8호선 산성역 (지하 53.9m)

3호선 만덕역 (지하 66m)

2호선 이곡역 (지하 32.5m) 표 1. 대도시 지하철 역사의 심도 현황

3. 지하 이용 사례

3.1 생활기반시설

상수도시설, 하수도시설, 쓰레기처리시설, 전력공급시설, 가스공급시설열공급시설(지역냉난방 등), 통신시설, 공동구 등이 해당된다.

상수도시설의 중심이 되는 정수장은 펜스 등으로 엄중히 외부와 차단된 부지에 설치되는데 , 하 천으로부터의 원수를 정수처리하기 위한 침전지, 여과지, 정수지 등이 배치되어 있다. 원수 유입의 편의성이나 유지관리를 위해 지표면으로부터 지하에 걸쳐 설치되어 있다.

하수도시설은 유입 암거의 위치 관계로부터 일반적으로 지표보다 아래에 설치된다. 도시에서의 하수도시설은 이미 지하화되어 상부를 공원, 광장, 체육관 등으로 이용하고 있는 사례가 많다. 이 를 통해 하수도시설이 주민들에게 친밀하게 되어, 시설 수용에 대한 저항감을 줄이고 이해를 얻기 쉽기 때문이다. 그림 1은 평택 수질복원센터(하수처리장)의 공사 개요를 나타낸 것으로, 인근 처리 구역의 발생 하수를 적정 처리하여 친수 하천 유지 용수로서 공급하는 것을 목적으로 하는 하수처 리시설로서 완전 지하화하고, 그 상부를 공원화한 사례이다. 그림 2는 특이한 사레로 해당 지역이 해안 부근의 협소한 지역에 시가지가 조성되어 있어, 하수처리장을 평탄한 곳에서 확보하는 것이 어려운 상황에 있었다. 해안 부근의 경관 보전과 하천 수량 확보를 목적으로 산간부에 하수처리시 설(폭 약20m×길이 약61m×높이 약22m)을 터널방식으로 조성하였다. 연안부에 있는 펌프장에 모여 진 오수를 하수처리시설까지 펌프로 압송하고, 정화된 물은 하천으로 방류하고 있다.

쓰레기처리시설은 수집 작업의 간소화, 환경·미관의 향상, 수집차 교통량의 저감을 목적으로 고 층 빌딩 또는 주거 시설에서는 이미 적용되어 왔지만, 지하에 설치된 파이프라인을 이용하여, 진 공 청소기와 동일하게, 파이프 라인의 끝 또는 중간에서 투입된 쓰레기를 수집 센터까지 흡인하여 모은다. 이 시설은 적설 지역에서의 쓰레기 수집 작업을 간소화할 목적으로, 스웨덴에서 개발된 것으로, 보급 당시에는 쓰레기 운반용 단독의 파이프 라인을 부설하였지만, 최근에는 통신, 전기, 가스, 상하수도, 지역냉난방 등과 함께 공동구에 포함되는 방식이 적용되고 있다. 시간대 별로 가 연성 쓰레기과 불연성 쓰레기를 분리하여 수집한다. 우리나라에서도 뉴타운 등에서 적용되고 있 다.

발전소에서 생산된 전력을 대도시의 수요지에 공급하는 송전에 관해서는 발전량 손실의 저감

등 효율적인 송전을 행하기 위해, 대용량화가 진행되고 있다. 한편, 공장이나 일반 가정으로의 공

급 전압은 저전압이기 때문에 필요한 장소에 변전소를 설치하여, 배전선 계통을 포함한 전력공급

(a) 조감도 (b) 구조물 개요 그림 1. 평택 수질복원센터

(a) 하수처리장 단면도

(b) 설계 단면도

그림 2. 하야마 터널방식 하수처리장의 사례

(a)종단 노선계획

(a) 노선도 (b) 터널 표준단면 조감도

그림 3. 서부간선도로

계통이 구성되어 있다. 최근 대도시에서의 전력 수요의 신장에 의해, 도시 중앙부로 직접 대용량 을 송전하든지, 도시부 변전소의 대용량화가 필요하게 되었다. 도시 중앙부로의 대용량 송전에 철 탑을 이용하는 경우, 용지의 확보, 환경면에서의 문제가 발생할 우려가 있기 때문에, 이러한 문제 를 해결하기 위해 대도시 내에서는 지중 송전선로가 채택되고 있다. 현재 공사가 진행 중인 경기 도 성남시에서의 송전선로 지중화 공사는 깊이가 35m, 73m, 80m인 수직구를 이용하여 쉴드 TBM 공법(직경 4.5m)이 적용되고 있다. 또한 고전압으로 송전된 전기를 저전압으로 변압시켜 공장, 일 반가정 등에 공급하기 위해 수요지 근처에 변전소가 설치된다. 대도시에서는 용지 확보의 어려움 때문에, 건물 상부와는 용도가 다른 지하를 변전 설비 수용 공간으로서 이용하는 경우(지하 변전 소)가 증가하고 있다.

이외에도 액화천연가스 공급을 위한 지하 매설관, 전화선/컴퓨터 회선을 포함하는 통신선의 지 중화(직경 2∼3m) 등도 지하공간의 이용 사례가 되겠다.

우리 생활에 필수불가결한 상하수도, 가스 등은 대부분이, 또 통신, 전력은 일부분이 도로 직하

에 수용되어 있다. 그리고 이들의 신설이나 보수를 위한 도로의 굴착공사가 자주 발생함에 따라

교통체증의 원인이 되고 있다. 이를 위해 도로 지하에 공동구를 설치하여 이들 라이프 라인을 수

용하여 도로 구조의 보전과 원활한 도로 교통 확보를 기할 필요가 있다. 공동구에 대해서는 구도

심을 중심으로 향후 검토 및 개선 사업이 활발해 질것으로 예상된다.

(a) 기본계획 (b) JCT 조감도

(c) 복층터널 조감도 (d) 대형 지하주차장 조감도 그림 4. U-Smartway (고인석, 2010)

3.2 교통 시설

지하철도, 도시도로터널이 해당된다. 현대 산업사회의 도시문제로는 대도시 중심의 인구 급증, 환경 오염, 도시시설 공급의 한계, 교통시설의 포화 등을 들 수 있다. 이 중에서도 도시 내부에서 발생하는 토지 및 주택의 절대적 상대적 부족과 가격 상승, 도시 재개발과 신도시 개발로 인한 도 시 내부 및 도시의 외곽화, 교육, 교통, 통신, 의료, 문화시설의 부족과 그 입지 및 접근성의 차별 화, 도시민들의 과소비 등이 문제가 되고 있다. 이러한 도시 문제를 해결하기 위해서는 지금까지 의 지표를 중심으로 한 수평적 확장으로는 한계에 도달하였기 때문에, 지표 중심에서 지하공간의 활용으로 패러다임의 전환이 필요하다 (김현 외, 2009). 교통시설과 관련한 도시문제를 해결한 좋 은 사례로는 The Big Dig Project (미국 보스톤), A86 Duplex Tunnel (프랑스 파리), M30 Project (스 페인 마드리드), SMART(Stormwater Management and Road Tunnel) Tunnel (말레이시아 쿠알룸푸 르), 일본 수도고속도로 중앙환상 新宿(선쥬쿠)선 등이 있다.

국내에서도 수도권과 부산에서 대심도를 이용한 지하 도로 및 철도망을 건설 중 또는 계획이 발

표되었다. 건설 중인 대심도 지하도로는 서울특별시의 서부간선도로 교통 체증 해소를 목적으로

계획(터널연장 9.3km)되었으며, 지상에 미치는 영향을 최소화하기 위해 국내 최초로 복층터널 형

식이 적용되었다 (그림 3). 계획으로서는, 지하 도로의 경우 서울특별시의 U-Smartway 계획(그림

4), 부산광역시의 2030 도시교통정비 기본계획, 지하철도의 경우 경기도 GTX계획(그림 5)가 발표

되었다.

(a) 기본계획 (b) 용산역에서의 환승체계 조감도 그림 5. GTX 계획

3.3 치수관련시설

2010년과 2011년의 집중 호우에 의해 수도 서울의 한복판 광화문, 강남 등이 물바다가 되었다.

하수관이나 빗물 펌프장 등 호우 대비 시설의 용량에 비해 너무 많은 비가 내렸고, 도시화가 진행 된 도심부에서는 우수의 침투 영역이 감소하여 하천에 직접 유입하는 우수가 증대하여 도시형 홍 수가 발생할 위험성이 높아졌기 때문이다. 또한 지구 온난화에 따른 기후 변화와 강우 패턴의 변 화에 따라 집중 호우의 빈도가 급증하고 있다는 것이 전문가들의 의견이다. 시간당 50mm이상의 집중호우는 1960년대에는 8회에 불과했지만, 2000년대 111회로 14배 급등한 것으로 나타났다.

이러한 문제에 대처하기 위해 일본에서는 대규모 조절지나 인공 하천을 지하에 건설한 사례가 있다. 지하 조절지는 집중호우 시의 치수용 터널로서 하천수를 일시적으로 저류하여 홍수를 방지 하는 것을 목적으로 하고 있으며, 지하 하천은 하천에 바이패스를 만들어 배수능력의 향상을 목적 으로 건설된 것이다. 동경도 내에 위치하는 환상7호선의 지하 40m에는 내경 12.5m, 연장 4.5km의 터널이 있다. 그림 6에 나타낸 이 터널은 칸다가와 환상 7호선 지하조절지로 불리는데, 집중 호우 나 태풍 시 홍수를 일시적으로 저장하는 시설이다. 3.2 교통시설에서 사례로 언급한 말레이시아 쿠알룸푸르 SMART (Stormwater Management and Road Tunnel) Tunnel도 홍수 조절 기능을 가지는 도로터널이다.

4. 대심도 지하 이용에 관한 법적 문제

토지 재산권의 범위를 규정하는 법 규정으로는 민법이 대표적이다. 민법 재98조(물건에 관한 규

정)와 제212조(토지소유권의 범위)에 따르면 토지의 소유권은 정당한 이익이 있는 범위 내에서 토

지의 상하에 미친다고 되어 있다. 또한 민법 제289조의 2(구분지상권) “지하 또는 지상의 공간은

(a) 취수구 (b) 터널 내부 그림 6. 칸다가와 환상 7호선 지하조절지

상하의 범위를 정하여 건물 기타 공작물을 소유하기 위한 지상권의 목적으로 할 수 있다”라는 규 정은 지상권을 공작물이나 수목을 소유하는 목적 범위 내에서 토지의 상하를 배타적으로 사용하 는 것으로 보고 있다. 구분지상권은 상하로 구분되는 공중공간 또는 지하공간을 개별적인 물권으 로 지상권을 설정할 수 있는 제도에 해당된다고 한다.

공익사업을 위한 토지 등의 취득 및 보상에 관한 법률도 토지 재산권의 범위와 관련하여 민법의 내용을 전제로 하고 있다. 사용 협의를 통해 지하공간에 대한 사용권을 취득할 수 있다. 여기서 법 적관계는 구분지상권이 설정된 것으로 본다. 또한 도시철도법 제5조의 2 제1항에서는 토지의 지하 공간 협의시에 구분지상권을 설정하도록 규정하고 있다 (김현 외, 2009).

이상과 같은 법제도 하에서 대심도 지하공간을 이용할 수 있는 방법은 토지 매수, 구분 지상권 취득, 토지수용의 3가지 방법이 있으나, 토지 매수는 대도시의 재산가치가 매우 큰 지표부분까지 매수하는 방법이기 때문에 천문학적인 비용이 소요된다. 구분 지상권 제도는 일정한 지하공간만 을 매매 목적물로 삼아 적은 비용으로 지하공간을 이용할 수 있다는 이점은 있으나, 별도의 입법 추진이 필요하고, 토지 수용 또한 소유주와 사업시행자간의 원만한 협의가 어려운 것이 현실이므 로 문제가 있다.

우리나라와 문화적으로 지형적으로 유사한 일본의 경우, 지하의 권리에 대해 “대심도 지하의 공 공적 사용에 관한 특별 조치법”에서 정확히 법률로 정하고 있다. 이 법률에 의해, 3대 도시권(동경 권, 오사카권, 나고야권)에 있어서는, 소유권을 주장할 수 있는 곳은 실제 이용 가치가 있는 심도 까지로 정해졌다. 바꾸어 말하면, 이용 가치가 없는 곳은 공동의 곳이기 때문에 유용하게 지하를 활용할 수 있게 되었다.

이 법률은 2000년 5월에 성립, 동년 12월에 “대심도 지하의 공공적 사용에 관한 특별 조치법 실 시예”가 공포되었고, 2001년4월에 시행되었다.

이 법률에서는 통상적으로 이용되지 않는 지하를 “대심도 지하”라고 칭하며, 일반적인 지하실이 만들어지는 위치보다도 더 깊은 지하 40m이상의 심도, 또는 건물 기초보다도 10m이상 깊은 심도 가운데 깊은 쪽을 대심도 지하로 정의하고 있다.

유럽의 많은 국가들에서도 관련 법률들이 규정되어 있다.

대심도 지하공간의 효율적인 활용을 위해서는, 충분한 논의를 통해 관련 법 정비를 우선적으로

추진할 필요가 있다.

5. 필요 기술

그림 7에 나타낸 바와 같이, 지하시설과 같은 구조물은 여러 가지 개별 기술의 조합에 의해 실 현된다. 지질공학과 관련된 기술항목을 정리하면 다음과 같다.

대심도 지하에서의 터널, 지상과의 접속부가 되는 수직구, 양호한 지반에서 채택이 예상되는 NATM공법에 의한 대규모 지하시설을 보다 합리적으로 터널을 구축하기 위해서는 지반 특성을 적절히 고려한 설계 수법의 개발이 필요하다. 구체적으로는 터널의 실측 데이터에 근거한 기존 설 계 수법의 검증과 적절한 지반 특성 평가 수법의 개발이 필요하다.

사유지의 지하 등 지상으로부터 지반을 조사하는 것이 불가능한 경우의 대응 등, 대심도 지하이 용의 특징을 배려한 지하조사 기술의 개발이 필요하다. 구체적으로는 조사 위치 직상부의 토지가 확보되지 않는 경우에도 대응 가능한 곡선 보링이나 토모그래피, 지표에서 조사 가능한 천층번사 법 등의 조사 기술, 지반 상황의 3차원표시 등을 가능하게 하는 기존 보링 데이터에 관한 데이터 베이스 구축 등이 필요하다.

안전하고 합리적인 대심도 지하시설을 시공하기 위해, 시공 중 지하로부터 직접 지반정보를 조 사, 계측하기 위한 기술이 필요하다. 구체적으로는 시공 중의 리얼타임 계측 기술이나 시공 후의 관리를 합리적으로 수행하기 위한 장기대응 계측기술 등의 개발이 필요하다.

그림 7. 대심도 지하이용의 기술적 과제

대심도 지하개발이 주변 환경에 미치는 영향에 관하여 적절히 조사, 예측, 평가, 모니터링, 대책 을 강구할 필요가 있다. 지하수류 예측 기술 등 지하수의 질적, 양적 변화를 조사, 예측하는 기술, 지반이나 구조물의 변형을 관측하는 기술의 개발이 필요하다. 지하 개발에 의한 지하수의 변동은 우물의 마름 또는 지반 침하와 연결되기 때문에, 지하수 변동을 적절히 조사, 계측하고, 대책을 강 구하는 기술개발이 필요하다. 구체적으로는 지반침하나 지하수변동을 회피하기 위한 지하수 모니 터링 기술이나 그라우팅 기술의 개발이 필요하다.

대심도 수직구의 효율적인 구축을 위한 자동화 기술이나 합리적인 수직구 구축을 위한 재료 개 발, 대규모 공간을 굴착하기 위한 지반 보강기술이나 주변 지반의 영향 해석 수법의 개발이 필요 하다.

지하 공간의 네트워크 구축을 위해서는, 지하에서 터널을 확폭하고, 분기하는 기술이 필요하다.

구체적으로는 확폭·분기부에 산악터널공법이나 보조공법을 겸용한 기술 개발이다.

대규모 대심도 지하시설의 시공에서는, 대량으로 발생하는 토사를 주변환경을 고려하여, 보다 효율적으로 처분하는 것이 중요하다. 효율적이면서 환경부하가 적은 토사운반을 위하여 수송기술 이나 토사 처리를 위한 리사이클 기술이 필요하다. 특히 개착공법에 의한 교통 장애나 주변 환경 악화를 피하는 의미에서 향후 적용이 증가할 기계화 시공에 의해 발생하는 굴착 잔토는 현 환경법 에 있어서 산업폐기물로 취급을 받는다. 산업폐기물의 경우, 최종 처분지가 점차 멀어지고, 장소 또한 감소하는 경향이 있다. 재이용을 위한 관련 법규의 완화 및 기술 개발이 필요하다.

참고문헌

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고인석, 2010, 서울시 U-Smartway 프로젝트 개요, 대한토목학회지, 제58권, 제2호, 11-19.

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