1) Department of Railroad Construction & Safety Engineering, Dongyang University
† Department of Construction Engineering, Dongyang University (Corresponding Author : [email protected])
근접시공에 따른 정거장구조물 거동특성에 관한 연구
A Study on the Behaviour of the Station Structure due to Adjacent Construction
정 지 승
1)
･ 김 만 화†
･ 이 선 길2)
･ 김 홍 주3)
･ 신 영 완3)
Jeeseung Chung ･ Manhwa Kim ･ Sungil Lee ･ Hongjoo Kim ･ Youngwan Shin
Received: August 31
st, 2016; Revised: September 8
th, 2016; Accepted: October 10
th, 2016
ABSTRACT : Recently, it has been made many adjacent construction of inter-facility by the expansion of urban infrastructure facilities using the underground space. The complaints relating to the stability of the facility by adjacent construction is common.
In this study, it was conducted for the subway line 5 Gimpo airport station structure in the upper Gimpo urban railway to determine the behavior characteristics of station structure according to adjacent construction. It was performed evaluation of the safety zone and excavation method for station structure. And after a review of damage evaluation, track irregularities and structural calculation by using a numerical analysis, stability of the station structure according to adjacent construction was evaluated to be secured. This study is expected to be used as basic data in advance if you need to review the effects of nearby structure according to adjacent construction.
Keywords : Adjacent construction, Tunnel, Station structure, Safety zone, Damage evaluation
요 지 : 최근 지하공간을 활용한 도시의 기반시설 확충으로 인하여 시설물 상호 간의 근접시공이 많이 이루어지고 있으며, 근접시 공으로 인한 시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 근접시공으로 인한 정거장구조물 의 거동특성을 파악하기 위해 김포도시철도 터널이 계획된 노선 상부의 지하철 5호선 김포공항역 정거장구조물을 대상으로 연구를 수행하였다. 정거장구조물의 안전영역 평가 및 굴착방법에 대한 개략적인 검토와 수치해석을 통한 상세검토를 수행하였으며, 손상 도 평가, 궤도틀림 및 구조검토 결과 근접시공에 따른 정거장구조물의 안정성은 확보되는 것으로 평가되었다. 본 연구는 근접시공 시 인접구조물에 미치는 영향을 사전에 검토하는 경우 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
주요어 : 근접시공, 터널, 정거장구조물, 안전영역, 손상도 평가 Journal of the Korean Geo-Environmental Society
17(11): 55～64. (November, 2016) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2016.17.11.55
1. 서 론
도시의 각종 기반시설 확충과 국토의 효율적인 활용을 위해 도로, 철도, 지하철, 전력･통신시설 및 수로시설 등 터 널을 이용한 지하공간 개발이 확대되고 있다. 이로 인하여 지상 시설물과 지하 시설물 또는 지하 시설물 상호 간의 근 접시공으로 인해 시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하 게 발생하고 있는 실정이다. 근접시공은 공사 정도가 난해 하기 때문에 시공 진행에 따른 기존 구조물 및 주변 시설의 안전에 영향을 줄 수 있으므로 적극적인 대책이 수립되지 못할 경우 기존 구조물의 침하, 균열, 누수 및 박리 등 구조 물의 안정성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.
따라서 근접시공 시 구조물의 특징 및 주변지반 특성 등
을 상세히 고려한 설계 및 시공방법이 적용되어야 하며, 굴 착으로 인한 지반이완 및 응력교란이 최소화될 수 있도록 구조물 간의 상호 간섭을 최대한 배제할 수 있는 대책공법 을 계획하고 시공 중 발생할 수 있는 문제점에 대해 사전에 충분한 검토가 수행되어야 한다.
본 연구에서는 상부에 인접한 정거장구조물이 위치하고 있는 경우 지반 굴착공사에 따른 구조물 안정성에 미치는 영향을 검토하였다.
연구를 위한 대상구간은 김포한강신도시 건설에 따른 광 역교통 개선대책으로 추진되고 있는 김포도시철도 109 정 거장 터널 시공구간으로 지하철 5호선 및 9호선 김포공항 역 하부 통과구간이며, 김포도시철도 시공에 따른 정거장구 조물에 미치는 영향을 검토하였다.
Fig. 1. Influence due to tunnel excavation (Lee, 2004)
Fig. 2. Safety zone of tunnel
Fig. 3. Parallel tunnel
Fig. 4. Cross tunnel
Fig. 5. Excavation for the tunnel above
2. 근접시공의 평가기준
2.1 근접시공의 분류
김포도시철도 터널 굴착구간 상부에 김포공항역이 운영 되고 있는바, 김포도시철도 터널 굴착에 따른 김포공항역 구조물에 미치는 영향을 최소화하기 위해 구조물 상호 간 충분한 이격거리를 확보하거나 필요시 적절한 보강공법 적 용으로 구조물에 대한 안정성 확보 계획이 필요하다.
근접시공이 기존 구조물에 미치는 안정성은 지형, 지질 조건, 기존 구조물의 구조적 특성, 구조물 손상 정도, 공사 종류 및 시공방법 등의 다양한 조건에 영향을 받는다. 서울 특별시 도시철도공사에서는 기존터널에 근접 시공할 경우 그 공사의 종류에 따라서 조건별 안전영역을 산정하였으며, 근접시공의 종류에는 터널의 병설, 터널의 교차, 터널상부 의 개착, 터널상부의 성토, 터널상부의 구조물 기초, 터널측 부의 굴착, 터널근방의 앵커, 터널상부의 담수 및 지반진동 등으로 구분하고 있다(서울특별시도시철도공사, 2001).
터널 근접시공 순서는 서로 상이할 수 있지만 어느 경우 든 터널 안정성 또는 인접 구조물 안정성에 위해한 영향을 미칠 수 있으므로 그 상호거동을 충분히 이해하고 위험요인 을 제거하기 위한 노력이 필요하다.
2.2 근접시공에 따른 안전영역 평가기준
근접시공 가능 범위인 안전영역은 국내에서 지하철 건설 이 먼저 시행된 서울지하철과 부산지하철에서만 적용되고 있는 실정이다.
터널굴착으로 인해 영향을 받는 영역은 Fig. 1과 같이 전 통적으로 터널의 주동파괴 영역인 45°+ϕ/2를 기준으로 결 정되어 왔다(Cording & Hansmire, 1975; Attewell, 1977;
Attewell et al., 1986).
서울특별시도시철도공사(2001)에서 제시하고 있는 터널
안전보호권(Safety Zone)은 Fig. 2와 같으며, “A”는 안전보 호권, “B”는 중간영역권, “C”는 자유지대로 정의된다. 최근 빈번하게 발생되고 근접시공은 터널의 병설, 터널의 교차, 터널상부의 개착 및 개착BOX 구조물의 근접시공 경우로 각 조건별 안전영역의 정량적인 평가는 Fig. 3에서 Fig. 6과 같다.
Fig. 6. Underground box structrue
Sungshin Women's Univ. Station (Line 4)
L11 station
(a) Plane status (b) Longitudinal status Fig. 7. Pass status under sungshin women’s univ. station
Weathered rock Soft rock Hard rock Soil
Sungshin Women's Univ. Station(Line 4) Electric power tunnel
(a) Excavation and
reinforcement (b) Blasting vibration impact review
Fig. 8. Pass measures under station
Subway line 6 Subway line 6
Airport railroad
Temporary structure starting position Temporary structure end position
Fig. 9. Status of the tunnel cross section (Shin et al., 2009)
Subway line 6 Vertical gruting Gyeonguiline underground box
Subway line 6
(a) Reinforcement section (b) Safety verification Fig. 10. Reinforcement of the tunnel cross section (Shin et al.,
2009)
근접시공 범위는 크게 제한범위, 요주의 범위, 무조건 범위로 구분되며, 제한범위는 신설 구조물의 시공 시 적극적 인 대책수립이 필요한 영역으로 구분하고 특히 제한범위와 기설 구조물 사이 공간은 보호층으로 규정하여 신설 구조물 의 시공을 제한하고 있다. 그러나 현실적으로 신설 구조물 의 계획을 수립함에 있어서 보호층을 침범하는 경우가 종종 발생하고 있으며, 이런 경우 경험적인 안전영역으로 평가하 기보다는 지반조건 및 구조물 특성 등을 종합적으로 고려하 여 현실적인 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
2.3 근접시공(터널-상부구조물) 사례
도심지 터널의 증가에 따라 터널과 상부구조물 근접시공 사례는 매우 다양하며, 공사비와 공사기간의 문제일 뿐 기술 적으로 불가능한 경우는 거의 없다고 해도 무방할 것이다.
본 절에서는 김포도시철도 제5공구 건설공사와 관련하여 상부구조물 하부로 신설터널이 시공된 사례를 살펴보았다.
2.3.1 우이-신설 경전철
우이-신설 경전철 노선 중 서울지하철 4호선 성신여대 정거장 하부 통과구간으로 정거장 하부에 전력구 및 통신구 가 위치하고 있고, 최소 이격거리는 약 3.5m이다.
기존 정거장 안정성 확보를 위한 굴착 및 보강공법 등의 대책이 필요함에 따라 지보패턴을 상향 조정하여 상하분할 굴착 및 강관보강그라우팅을 적용하고 발파진동영향 최소화 를 위해 약 60m 구간에 무진동 암파쇄 공법을 적용하였다.
2.3.2 경의선 용산-문산간 복선전철
경의선 용산-문산 간 복선전철 건설공사 구간 중 지하철 6호선과 공항철도 교차 통과구간으로 경의선은 얕은 심도 의 개착공법(BOX)으로 공항철도는 깊은 심도의 터널공법 으로 계획되었으며, 그 사이에 지하철 6호선이 통과하고 있 다. 경의선 개착구조물 하부와 지하철 6호선 상부의 최소 이격거리는 약 3.5m로 도시철도공사에서 제시하는 안전영 역 중 굴착이 금지된 구역에 해당하며, 간섭연장은 최대 34m 이다. 경의선 개착 시공 시 엄지말뚝 선단부는 지하철 6호선 과 약 1.9m 이격되어 매우 근접하며, 경의선 개착시공으로 인하여 지하철 6호선 천단부에 상향변위가 발생될 것으로 예측되었다.
개착시공 중 보강대책으로 수직 지반보강그라우팅(ϕ500mm, C.T.C 1,000mm)을 실시하고 지하수 유출에 의한 지반침하 방지를 위해 차수공법을 적용하였다.
Fig. 13. Status of the object range
Fig. 14. Status of the gimpo airport station structure
(a) Section 1(A Type) (b) Section 2 and 4 (B1~B6, E, F1~F4 Type)
(c) Section 3 (C1~C7, D1~D3 Type)
Fig. 15. Status of the gimpo airport station structure by section
212 station
Gyeongin Expressway
Endpoints
Pass section under highway
Application of underground method Downgraded
(a) Plane status (b) Crossing status Fig. 11. Pass status under gyeongin expressway (Lee et al., 2010)
Gyeongin Expressway underpass
Cutoff grouting Soil
Weathering rock
Soft rock At the same time
large steel pipe grouting FRP post grouting
(a) Cutoff grouting (b) Large steel pipe
grouting (c) FRP post grouting Fig. 12. Reinforcement under highway (Lee et al., 2010)
Fig. 16. Longitudinal status of 109 station with tunnel entry
2.3.3 인천지하철
인천지하철 OO공구는 서구 가정동에 계획되어 있는 도 심지 재개발 계획인 루원시티를 통과하고 경인고속도로 간 선화 및 지하화 계획과 주변 도시개발계획 등이 수립되어 있다. 특히 경인고속도로 하부 통과구간은 향후 경인고속 도로 지하화 계획이 수립되어 있으므로 터널시공 완료 후 상부 터파기 및 지하차도 시공에 따른 안정성 확보가 필요 하였다.
토사 및 풍화암 구간임을 감안하여 지하수 배수에 의한 토사구간 침하 및 지하수위 저하방지를 위해 차수 그라우팅 을 실시하였다. 또한, 천공과 동시에 강관보강재의 시공이 이루어지는 직천공방식을 적용함으로써 천공 후 보강재 설 치 중 천공붕괴 등의 문제를 예방하고, 시공시간을 최소화 하여 시공성을 확보하였다. 좌측상부에 경인고속도로 지하 차도가 인접하여 시공되는 구간은 좌측벽 일부에 FRP 보강 그라우팅을 추가 적용하여 강성을 증가시켰다.
3. 검토 대상구간 현황 분석
3.1 기존 및 신설 구조물 현황
본 연구를 위한 검토구간은 김포도시철도 노선이 지나가
는 지하철 5호선 김포공항 정거장 구간이다.
지하철 5호선 김포공항역 구조물은 지층조건, 주변 지장 물, 지형 및 토피고 등에 따라 크게 4구간의 3종류 BOX 구 조물로 준공되었다.
김포공항역에 인접한 김포도시철도 109 정거장의 종점부 터널 진입구간의 토사 및 풍화암에 대한 가시설 지보공법은 앵커체의 긴장력을 이용하여 토압을 지지하도록 설계되었 으며, 앵커는 지하철 5호선 김포공항역으로부터 약 3.66m 이격되어 보강되는 것으로 계획되었다.
Fig. 17. Geological distribution of object range
Fig. 18. Geological distribution through rock detection Table 1. Geotechnical design properties
Classification Unit weight (kN/m
2)
Cohesion (kPa)
Friction angle
(°) Modulus
(MPa) Poisson’s
ratio
Coefficient of permeability
(cm/s)
Landfills 18 0 25 6 0.35 6×10
-4Weathered soil
Cohesive
soil 17 20 10 8 0.36 5×10
-5Sandy
soil 18 10 28 20 0.35 8×10
-4Deposit soil
N ≤30 19 15 29 50 0.34 6×10
-4N>30 20 20 30 60 0.33 6×10
-4Weathered rock
N<50/3 21 30 33 300 0.30 7×10
-5N ≥50/3 22 35 35 500 0.29 5×10
-5Soft rock Gneiss 23 200 39 1,450 0.26 2×10
-5Granite 23 250 39 2,000 0.26 2×10
-5Hard rock
Gneiss 26 1,200 45 10,000 0.22 4×10
-6Granite 26 1,500 45 18,000 0.22 4×10
-6Fig. 19. Safety zone of gimpo airport station (subway line 5)
Fig. 20. Charging amount according to the vibration velocity
3.2 지반조건 현황
김포도시철도 5공구 계획노선 설계 시 수행된 지반조사 결과 지층분포 상태는 지표로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 및 기반암(연암 및 경암) 순으로 이루어져 있는 것 으로 조사되었으며, 김포도시철도가 통과하는 기존 지하철 구조물의 기초지반은 대부분 연･경암의 기반암이 높게 출 현하는 것으로 조사되었다.
기존 구조물의 기초부 기반암 출현심도가 높아지는 경 향은 인근 건설공사 설계자료 및 김포도시철도 109 정거장 터파기 시공 시 작성된 암검측 자료로부터 타당성을 확인 하였다.
실내시험, 현장시험, 참고문헌 및 설계사례 조사를 통해 산정된 검토 대상구간의 설계지반정수는 Table 1과 같다.
4. 정거장구조물 안정성 검토
4.1 근접도 평가
지하철 5호선 김포공항역 하부를 통과하는 김포도시철도 터널구간의 근접도 평가를 수행한 결과 Fig. 19와 같이 주 1회 점검이 요구되는 A급 관리영역에 해당되는 것으로 평 가되었으나, 터널 주변지반이 공학적인 강도특성이 매우 양 호한 경암이 분포함에 따라 김포도시철도 터널공사 시 지하 철 5호선 김포공항역 구조물에 미치는 영향은 미소할 것으 로 판단된다. 그러나 근접도 평가는 정거장구조물 주변공사 에 따른 영향을 개략적으로 평가하는 방법이므로 신설터널 의 형상, 하중, 시공조건 및 지반조건 등을 종합적으로 고려 한 상세검토가 요구되었다.
4.2 굴착방법 검토
김포도시철도 실시설계 시 도로 및 민가, 기존 구조물 등 지장물 인접구간에 대한 발파 시 소음･진동영향을 최소화 하기 위하여 발파진동 저감대책을 수립하였다. 지하철 5호 선 김포공항역 하부 터널통과구간의 발파는 선대구경+라인 드릴링 공법으로 계획되었으나 발파영향을 검토한 결과 제 어발파 시 허용기준(0.3cm/sec)을 초과하는 것으로 검토되 어 상반 무진동암파쇄 공법을 설계에 반영하였다.
그러나 하반의 경우 발파굴착 적용이 가능한 지발당장약 량이 0.015kg 미만으로 검토(Fig. 20)되어 발파굴착이 어려 울 것으로 예상됨에 따라 무진동암파쇄 공법을 적용하는 것 으로 계획하였다.
(a) Boscardin method (b) Burland method Fig. 21. Damage evaluation according to the simple chart
Table 2. Allowance of structure damage factor
Classification Allowance Reference Maxium settlement 25 mm Sowers (1962) Differential settlement 0.003S Sowers (1962) Angular distortion 1/500 Bjerrum (1963)
Deflection ratio 1/250 Burland & Wroth (1974) Horizontal strain 1/2,000 Burland & Wroth (1974)
Table 3. Track irregularities allowance (서울특별시도시철도공사, 2008)
Classification Main line Side line
Arrange standard (mm)
Track gauge +10 -3 +10 -3
Cross level 9 11
Longitudinal Straight 9 (Rail length : 10 m) Curve 3 (Rail length : 2 m)
Straight 11 (Rail length : 10 m) Curve 4 (Rail length : 2 m)
Alignment 9 (Rail length : 10 m) 11 (Rail length : 10 m)
(a) Longitudinal irregularity (b) Alignment irregularity
(c) Track gauge irregularity (d) Cross level irregularity Fig. 22. Kind and conceptual of track irregularities
4.3 안정성 평가기준 및 검토방법 4.3.1 구조물 손상도 평가기준
터널굴착 단계별 손상평가를 위해서는 지표침하 거동을 이용하여 손상평가 인자인 각변위, 처짐비, 부등침하, 구조 물의 최대침하량, 수평변형률 및 구조물에 발생 가능한 균 열양상 등의 수치를 토대로 평가를 수행한다. 본 연구를 위 한 대상구간에 위치하는 지하철 5호선 김포공항역 구조물 의 손상 정도를 경험적으로 평가하기 위한 손상도 평가인자 에 대한 허용기준을 Table 2와 같이 산정하였으며, Fig. 21 과 같이 Boscardin & Cording(1989) 및 Burland(1997)이 제 안한 간편도표에 의한 손상도 평가를 수행하였다.
4.3.2 궤도틀림 평가기준
궤도틀림은 도상의 침하, 차량의 진동 등에 의하여 발생 하는 파장이 비교적 짧은 영역의 선형의 오차를 의미하며, Fig. 22와 같이 면틀림(고저틀림), 줄틀림(방향틀림), 궤간 틀림, 수평틀림 등이 있다.
궤도틀림에 대한 평가기준은 서울특별시도시철도공사(2008) 의 궤도정비기준에서 제시하고 있는 지하철 선로 부등침하 기준으로 Table 3과 같다.
4.3.3 구조물 안정성 평가기준
정거장구조물의 구조검토는 3차원 수치해석을 이용하여 수행하였으며, 구조물의 상부･중앙･하부 슬래브, 벽체 및 구조적으로 취약할 것으로 예상되는 경사기둥과 종방향 거 더 접합부에 대하여 수치해석으로 산정된 부재력에 하중계 수(1.6)를 고려하여 설계강도와 비교･평가하였다.
4.3.4 정거장구조물 안정성 검토방법
본 연구에서는 MIDAS사의 GTS NX를 이용한 유한요소 법을 이용하여 김포도시철도 109 정거장 가시설 시공단계를 고려한 터널 진입구간에 대해서 2차원 수치해석을 수행하 고, 지하철 5호선 김포공항역 하부 터널통과구간에 대해 3 차원 수치해석을 적용하여 정거장구조물의 손상도 평가, 궤 도틀림 검토, 정거장구조물의 구조검토를 수행하였으며, 응 력-침투 연계해석을 통한 지하수위 저하에 따른 영향을 추 가적으로 검토하였다.
4.4 정거장구조물 안정성 검토
4.4.1 터널 진입구간 굴착에 따른 안정성 검토
김포도시철도 109 정거장 종점부 터널 진입구간은 2차원 안정성 검토를 수행하였다(Fig. 23). 터널 단면방향으로 검 토하여 발생된 최대천단침하를 종방향 검토 시 변위로 제어 하였고 구조물, 가시설 및 배면 상재하중을 모사하였다.
109 정거장 터파기 시공 완료 시와 터널 진입구간 굴착 에 따른 앵커 축력과 수평변위 차이는 크지 않은 것으로 나 타났으며, 각각 허용인장강도 및 수평변위 허용기준을 만족
Fig. 23. Numerical modeling of 109 station with tunnel entry
(a) Underground excavation (b) Tunnel excavation Fig. 24. Anchor force of 109 station with tunnel entry
(a) Underground excavation (b) Tunnel excavation Fig. 25. Horizontal displacement of 109 station with tunnel entry
(a) Vertical displacement (b) Horizontal displacement Fig. 26. Displacement trend of station structures Table 4. Review result of 109 station with tunnel entry
Classification
Underground excavation Tunnel excavation Anchor
force
Horizontal displacement
Anchor force
Horizontal displacement Result value 207.89 kN 13.86mm 208.05 kN 14.21 mm
Allowance 440.64 kN 71.60mm 440.64 kN 71.60 mm
Evaluation O.K O.K O.K O.K
(a) Boscardin method (b) Burland method Fig. 27. Damage evaluation of station structure
Fig. 28. Numerical modeling of pass under station structure
(a) Vertical displacement (b) Horizontal displacement Fig. 29. Displacement trend of station structures
하는 것으로 검토되었다(Fig. 24, 25).109 정거장 터널 진입구간 시공에 따른 지하철 5호선 김 포공항역 구조물의 연직변위 및 수평변위 검토 결과 정거장 가시설 터파기 시공단계에서 상대적으로 증가하는 경향을 보이나 터널 진입구간 굴착단계 이후 증감량은 미소한 것으
로 검토되었다(Fig. 26).
109 정거장 터파기 시공 완료 시와 터널 진입구간 굴착 에 따른 구조물손상도를 평가한 결과 발생 변위는 최대침 하량, 부등침하량, 각변위, 처짐비, 수평변형률의 허용기준 이내로 나타났으며, 손상도 간편도표에 의해 무시단계의 손 상도로 평가되었다(Fig. 27).
4.4.2 정거장구조물 하부 터널굴착에 따른 안정성 검토 지하철 5호선 김포공항역 하부 터널통과구간은 3차원 수 치해석을 이용하여 인접구간인 지하철 9호선 정거장을 모 사하여 수치해석에 반영하였으며, 검토 구간 내 상부 도로 및 지하차도에 대하여 도로하중으로 적용하여 안정해석을 수행하였다(Fig. 28).
지하철 5호선 김포공항역 하부 터널굴착에 따른 구조물 의 손상도 평가는 구조물의 기둥 및 벽체설치 방향에 따라 터널 굴착에 의해 발생되는 변위에 대하여 검토를 수행하였 다. 정거장구조물 하부 통과 후 연직변위 검토결과 측선1과 교차하는 측선2와 측선4에서 상대적으로 크게 나타났으나 연직변위 및 수평변위는 모두 0.2mm 이내로 미소하게 발생 하였다(Fig. 29).
지하철 5호선 김포공항역 하부 터널굴착에 따른 구조물 손상도를 평가한 결과 발생 변위는 정거장구조물의 양호한
Table 5. Track irregularities result of station structure
Classification Gaehwsan Songjeong
Allowance Result
Rail (L) Rail (R) Rail (L) Rail (R)
Track gauge 0.001 mm 0.001 mm +10 mm, -3 mm O.K
Cross level 0.005 mm 0.002 mm 9 mm O.K
Longitudinal 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 3 mm/2 m (Curve) O.K
Alignment 0.002 mm 0.002 mm 0.002 mm 0.002 mm 9 mm/10 m O.K
(a) Boscardin method (b) Burland method Fig. 30. Damage evaluation of station structure
Fig. 31. Measuring line for track irregularity
(a) Track gauge irregularity
(b) Cross level irregularity
(c) Longitudinal irregularity
(d) Alignment irregularity Fig. 32. Track irregularities
Fig. 33. Review status of station structure
Fig. 34. Force result according to tunnel construction Table 6. Structural stability result of station structure
Classification Top slab
Middle slab
Bottom
slab Wall Slanted column
Girder joint ϕMn (kN･m) 1,198.12 169.86 1,806.46 1,953.53 1,473.67 710.82 1.6×Mo (kN･m) 1,112.29 124.27 442.21 1,032.34 256.54 710.82
ϕPn (kN) - - - 2,000.50 13,567.09 -
1.6×Po (kN) - - - 1,057.16 10,598.94 -
Evaluation O.K O.K O.K O.K O.K O.K
기초지반으로 인해 최대침하량, 부등침하량, 각변위, 처짐 비, 수평변형률의 허용기준 이내로 나타났으며, 손상도 간 편도표에 의해 무시단계의 손상도로 평가되었다.
지하철 5호선 김포공항 정거장의 선로 궤도틀림 평가는
각 방향별 레일위치에서 발생되는 변위를 이용하였으며, 지 하철 방향 및 레일 위치에 따른 측선은 Fig. 31과 같다.
지하철 5호선 김포공항역 하부 터널통과 후 궤도틀림을 평가한 결과 발생 변위에 대한 궤도틀림, 수평틀림, 고저틀 림, 방향틀림은 허용치 이내로 나타났다(Fig. 32).
지하철 5호선 김포공항 정거장의 구조물 안정성 평가는 Fig. 33과 같이 상부･중앙･하부 슬래브, 벽체, 경사기둥 및 거더 접합부로 구분하여 구조검토를 수행하였다.
정거장 하부 터널통과에 따른 구조물 안정성 검토 결과 구조물의 발생 부재력 변화는 Fig. 34와 같이 터널 굴착 전 대비 미소한 것으로 나타났으며, 발생 부재력에 대하여 하 중계수(1.6)를 적용한 부재력으로 설계강도와 비교한 결과 모두 설계강도 이내로 나타나 정거장구조물의 안정성은 확 보되는 것으로 검토되었다.
(a) Initial (b) Tunnel construction Fig. 35. Pore pressure head changes
(a) Vertical displacement (b) Horizontal displacement Fig. 36. Displacement trend for station structures
4.4.3 연계해석을 통한 정거장구조물 안정성 검토 김포공항역 정거장구조물의 기초지반은 연･경암으로 상 대적으로 연암이 깊게 분포하는 구간을 선정하여 지하수위 저하에 의한 침하영향 검토를 수행하였다. 대상구간의 지하 수위는 GL.-16.5m～GL.-20.5m로 안전측 검토 수행을 위해 초기 지하수위는 GL.-16.5m로 가정하였다.
응력-침투 연계해석을 통한 김포도시철도 터널 시공 후 김포공항역 구조물 안정성 검토결과 정거장구조물의 전체 침하는 0.208mm, 부등침하는 0.034mm로 허용기준을 만족 하는 것으로 검토되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 근접시공에 따른 정거장구조물의 안정성 에 미치는 영향에 대한 연구 수행을 위해 근접시공 관련기 준 및 사례, 근접도 평가 및 정거장구조물 안정성 확보를 위한 터널 굴착방법을 검토하였으며, 정거장 직하부 터널굴 착에 따른 안정해석, 구조검토 및 연계해석을 통하여 현재 운행 중인 정거장구조물의 거동특성을 검토하였다.
(1) 지하철 5호선 김포공항역 구조물의 안정성 확보를 위한 안전구역 설정을 위해 근접도 평가를 수행한 결과 A급 영역(안전진단 및 시공감리 주 1회 점검기준)에 해당되 는 것으로 평가되었으나, 정거장구조물 기초지반 및 터 널 주변지반이 경암이 분포하는 양호한 조건으로 터널 시공에 따른 영향은 미소할 것으로 판단된다.
(2) 김포공항역 하부 터널 통과구간의 발파는 상반의 경우 무진동 암파쇄 공법을 설계에 반영하였으나 하반의 경 우에서도 발파 가능한 지발당장약량이 0.015kg 미만으 로 검토됨에 따라 무진동암파쇄 공법을 적용하는 것으 로 계획하였다.
(3) 109 정거장 터널 진입구간의 터파기 시공완료 시와 터 널 굴착 시 앵커 축력 및 파일의 수평변위는 허용기준 을 만족하는 것으로 검토되었으며, 터널 굴착에 따른 정 거장구조물의 손상도는 극미한 것으로 나타나 변형특 성 영향은 크지 않은 것으로 평가되었다.
(4) 터널 굴착에 따른 정거장구조물 부재력은 시공단계별 거의 유사한 값으로 나타났으며, 설계강도를 만족하여 정거장구조물의 안정성은 확보되는 것으로 검토되었다.
(5) 운행안정성 확보를 위한 궤도틀림 검토결과 선로 변형 은 매우 미소하게 발생하여 허용기준을 모두 만족하는 것으로 검토되었으며, 지하수위 변화로 인한 구조물 침 하영향 검토결과 양호한 지반조건으로 인해 지하수위 변화에 의한 침하영향은 미미한 것으로 나타났다.
References
