A Case Study on the Effects on Underground Structure due to Changes in the Groundwater Level and Ground Stress

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1) Department of Construction Engineering, Dongyang University

지반응력 및 지하수위 변화가 지하철구조물 안정성에 미치는 영향 사례연구

A Case Study on the Effects on Underground Structure due to Changes in the Groundwater Level and Ground Stress

정 지 승¹⁾･ 이 선 길^†･ 이 규 영¹⁾･ 정 해 욱¹⁾･ 김 홍 주²⁾

Jeeseung Chung ･ Sungil Lee ･ Kyuyoung Lee ･ Haewook Jung ･ Hongjoo Kim

Received: May 15

^th

, 2015; Revised: May 18

^th

, 2015; Accepted: July 6

^th

, 2015

ABSTRACT : Recently, land subsidence and sinkhole are generated due to a change in the groundwater level in the city. For this reason, the necessity for management of stable underground water level is on the rise. In this study, it was conducted for the underground structure that passes through the lower of bus transfer center construction site to examine the influence on the stability for underground structures to changes in the groundwater level and effective stress, the coupled finite element analysis and structural analyses were performed to evaluate stability for underground structure. It is to secure stability for underground structures according to underground water level declines. In this way, effective construction management will be made by previewing and forecasting the influence on the ground behavior and adjacent structures due to changes in the groundwater level.

Keywords : Groundwater level, Effective stress, Land subsidence, Bus transfer center, Underground structures

요 지 : 최근 도심지에서는 지하수위 변화에 따른 지반침하 및 싱크홀이 다수 발생함에 따라 안정된 지하수위 관리에 대한 필요성 이 대두되고 있다. 본 연구에서는 지반의 지하수위 및 유효응력의 변화가 지하철구조물의 안정성에 미치는 영향을 파악하기 위해 버스환승센터 조성 구간 부지 하부로 통과하는 지하철구조물을 대상으로 연구를 수행하였다. 지하철구조물의 안정성 평가를 위해 수행된 연계해석 및 구조해석 결과 지하수위 저하에 따른 구조물의 안정성은 확보되는 것으로 평가되었다. 이와 같이 도심지 터파 기 시공 전 지하수위 변화에 따른 지반거동 및 인접구조물에 미치는 영향을 사전에 검토하고 예측하여 효율적인 공사관리가 이루어 져야 할 것이다.

주요어 : 지하수위, 유효응력, 지반침하, 버스환승센터, 지하철구조물 Journal of the Korean Geo-Environmental Society

16(9): 13～21. (September, 2015) http://www.kges.or.kr

ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2015.16.9.13

1. 서 론

고도의 산업발전 및 도시화에 따른 인구밀집과 용지면적 의 부족으로 공간의 효율적인 이용을 위해 대규모 굴착이 도심지에서 많이 이루어지고 있다. 도심지의 심각한 교통체 증과 인구과밀 문제를 해결하기 위해서 각종 지하차도, 지 하철 등 대규모 지하 교통시설이 증가하고 있으며, 이러한 대규모 굴착공사로 인하여 주변지반 및 인접구조물에 대한 영향으로 많은 문제점들이 대두되고 있다. 또한 이러한 지 하 교통시설은 지표로부터 심도가 20m 이내로 풍화암이나 풍화토와 같이 비교적 연약하고 지하수위 변화에 의한 거동 이 큰 지반에 시공되는 경우가 많다. 천층에 시공되는 대규 모 굴착공사는 지반의 거동 및 지하수위 변화에 민감하며, 이것은 인접시설 및 구조물에 영향을 주게 되므로 굴착 전

지반응력 및 지하수위 변화에 따른 기존 구조물의 안정성 검토가 선행되어야 하고 안정성이 확보되지 못하는 경우 선 대책이 계획되어야 할 필요성이 있다.

최근 도심지에서 발생한 다수의 지반침하 사례는 대규모 굴착공사로 주변지반의 지하수위 저하가 지반침하의 발생 원인이 될 수 있다는 의견이 제시되어 이슈화되고 있으며, 이러한 지하수위 변화에 따른 지반침하는 상부 구조물 뿐만 아니라 지하구조물의 안정성에 영향을 줄 수 있다는 의문들 이 제기되고 있다.

따라서 본 연구에서는 지반 굴착공사 시 굴착 면 하부에 지중구조물이 위치하고 있는 경우 지하수위 변화가 지하구 조물의 안정성에 미치는 영향을 검토하였다.

본 연구 대상구간은 교통영향 개선대책을 목적으로 설계 가 진행된 도심지 지하 버스환승센터 구간으로서 하부에 기

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(a) Cities beginning

(b) Cities maturing

Fig. 1. Groundwater level drop (이진용, 2007)

Effective stress(σ')

Pore pressure(u) Effective stress(σ')

(a) σ′ = σ - u (Groundwater) (b) σ′ = σ (Groundwater lowering) Fig. 2. Concept of effective stress

(a) Initial state conditions (b) Groundwater lowering conditions

Effective stress Increase

(c) Initial stress conditions (d) Stress conditions of groundwater lowering Fig. 3. Effective stress changes in groundwater lowering

존 지하철구조물이 위치하며, 버스환승센터 시공에 의한 지

하수위 변화가 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하였다.

2. 지하수위 저하 시 지반침하

2.1 지반침하 정의 및 원인

최근 싱크홀이 이슈화된 이후 지반침하, 지반함몰(싱크홀) 등 관련 용어가 혼용되어 사용되고 있다. 미국 지질조사국 (USGS)은 지반침하(Land subsidence)를 지하 구성물질의 움 직임에 의해 지표가 천천히 혹은 갑작스럽게 가라앉는 현상 으로 정의하고 있다. 지반침하의 정의에서 알 수 있듯이 지 반침하가 포괄적인 개념이며, 지반함몰(싱크홀) 등은 지반 침하의 한 형태로 볼 수 있다.

지반침하를 발생시키는 인위적 요인으로는 과다한 지하 수 이용, 개발사업 추진에 따른 지하수 흐름교란, 상하수관 누수 등이 있으며, 도시화가 진행될수록 강우의 지하 침투 량을 줄여 지하수위 저하를 초래하고 상하수관 등 지하 시 설물 노후화가 진행될수록 싱크홀을 비롯한 지반침하 현상 이 발생할 수 있다. 도시형성 및 발전기에는 생활용수 공급 으로 인한 지하수 개발로 지하수위가 저하되고 성숙기에는 주변 지하수위 변화 및 교란 등으로 더 큰 문제가 발생할 수 있다(이진용, 2007).

그러나 이러한 포괄적인 개념의 지반침하는 지반하부 토 립자의 유실에 의하여 발생하는 대규모 침하를 의미하며, 본 연구에서는 지하수위 변화에 의한 지반침하로 즉시 침하 와 유사한 현상을 대상으로 하여 그 메커니즘이 다르다.

2.2 지하수위 저하 시 지반침하 메커니즘

일반적으로 지하수는 물의 순환과정(Hydrologic Cycle)

의 한 부분으로서 강수에 의하여 지표에 떨어진 물 중 일부 가 중력 작용에 의하여 지하로 침투한 것을 말하며, 암반이 나 점토 등의 불투수층에 도달하였을 때 고이게 된 물로 정 의할 수 있다.

또한 흙은 여러 요소로 구성되어 있으며, 토립자들은 간 극을 사이에 두고 무질서하게 분포되어 있다. 간극은 연속 적으로 물 또는 공기로 채워져 있으며, 흙의 압축성, 기초의 지지력, 제방의 안정성 및 토류 구조물에 대한 횡토압과 같 은 문제를 분석하기 위해서는 지반의 심도에 따른 단면에 대한 응력분포를 알아야 한다.

σ는 전체 흙이 받는 응력인 전응력(Total stress)이라 하 고 σ′은 토립자만을 통해서 전달되는 연직응력으로 유효응 력(Effective stress)이라 하며, u는 공극 내 물이 받는 압력 으로 간극수압(Pore pressure)으로 정의한다(김상규, 2009).

Fig. 3은 지반의 초기상태(만수위) 조건과 지반 내 지하 수위 저하 시 조건의 개념도와 응력상태를 나타낸 것이다. 초 기상태의 유효응력(Z×γsub) 대비 지하수위 저하 시 유효응력 (Z×γsub+Δh×γw)이 증가(Δh×γw)하는 것을 알 수 있다.

지하수위의 저하는 투수계수가 비교적 큰 사질토에서 주 로 발생되며, 지반의 유효응력을 증가시켜 지반침하를 초래

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Heunginjim un Gate Front Underground Cross section

Heunginjimun Gate

Subway Line 4

Rock Soil

Cutoff collar

Fig. 4. Subsidence case in Korea (Heunginjimun Gate) (신정훈, 2006)

Fig. 5. Foreign Subsidence case (Shanghai Tower) (하오천진, 2013)

Neighbor Stuctures

Seokchon Lake

Seokchon Lake Jamsil Lake Bridge

(a) Plane status of bus transfer center

Subway Structures

Jam sil Lake Bridge Bus Transfer Center

*( ) Vertical Straight distance

(b) Vertical status of bus transfer center Fig. 6. Status of bus transfer center

하게 된다. 이와 같은 결과는 지표면 위에 있는 수위가 변동

해도 지반침하와 지반강도 변화가 일어나지 않는 것과는 대 조된다.

2.3 지반침하 사례

지하수위 저하로 인한 지반침하의 국내 사례로 흥인지문 (동대문)을 들 수 있다. 흥인지문은 성벽에 생긴 균열로 수 차례 안전문제가 제기돼 2004년 11월부터 정밀안전진단과 함께 보강공사가 진행되었다. 흥인지문 지표면 아래 지하 수위는 지하철 4호선 건설 당시인 1984년 2.4m에 불과했으 나 최근 조사에서는 최저 9.2m로 낮아졌다. 이로 인해 흥인 지문을 지탱하는 지반의 지지력이 떨어져 불규칙하게 가라 앉는 부등침하 현상을 겪고 있다. 지하철 4호선 건설 당시

서울시 지하철 공사는 흥인지문의 지하수가 빠져나가는 것 을 방지하기 위해 흥인지문 주위에 ‘ㄷ’자 형태로 차수(물 막이) 공사를 했으나 정차장 부근 육축(성곽의 1층 격인 돌 기둥) 정문 쪽에 국한돼 뒤쪽인 옹성주변은 시공되지 않아 지하수위가 상대적으로 더 낮아진 것으로 조사됐다(신정훈, 2006).

국외 지하수위 저하에 의한 지반침하 사례로는 중국 내 최고층 빌딩인 상하이타워(632m)를 들 수 있는데, 2012년 연말 타워 주변 지표면에 대규모 균열 현상이 발생했다. 중 국 국토자원부지질환경국에 따르면 굴착시공 시 지하수를 빼낸 것이 원인으로 파악되었고, 지하수 압력이 균형을 잃 으면서 주변지반에 침하 현상이 발생한 것으로 판단하고 있 다(하오천진, 2013).

3. 검토구간 현황 분석

3.1 검토구간 현황

본 연구 수행을 위한 검토구간은 교통영향 개선대책으로 계획된 버스환승센터 조성 구간으로 평면 및 종단현황은 FIg. 6과 같으며, 버스환승센터 조성계획 구간 하부로 지하 철구조물이 인접하여 운행하고 있다(롯데물산, 2014).

버스환승센터는 터파기 가시설(H 파일) 시공 및 단계굴착

→ 구조물 시공 및 채움콘크리트 타설 → 본선 슬래브, 벽체 타설 및 되메움 → 본선시공 완료 순으로 시공이 이루어지

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Neighbor Stuctures

Subway Structures

Neighbor Stuctures

(a) Sheathing (H-pile) construction and step excavation (trench)

Neighbor Stuctures

Subway Structures

Neighbor Stuctures

(b) Foundation structure construction

Neighbor Stuctures

Subway Structures

Neighbor Stuctures

(c) Main structures sonstruction and backfill

Neighbor Stuctures

Subway Structures

Neighbor Stuctures

(d) Main structures completed construction Fig. 7. Construction sequence of bus transfer center

Boreholes(old) Boreholes(new)

Fig. 8. Boreholes status of bus transfer center

Subway Structures

Landfill layer

Sedimentary layer

Landfill

layer Landfill

layer Sedimentary

layer

W eathered soil Soft rock

Soft rock

Soft rock Weathered

rock Weathered

Weatheredsoil

rock W eathered

rock Weathered

soil

Fig. 9. Geological stratum of bus transfer center

Table 1. Boreholes groundwater table of bus transfer center

No. Elevation (E.L(+)m)

Boreholes groundwater level G.L(-)m E.L(+)m Note

BH-1 114.26 8.2 106.06 2012. 06. 03.

BH-1-1 114.26 11.3 102.96 2014. 07. 07.

BH-2 114.28 5.5 108.78 2012. 06. 03.

BH-2-1 114.28 8.7 105.58 2014. 07. 07.

BH-3 114.50 8.5 106.00 2012. 06. 02.

BH-4 114.46 8.2 106.26 2012. 06. 02.

Table 2. Geotechnical design properties

Item

Unit weight (kN/m

²

)

Cohesion (kPa)

Friction angle

(°)

Modulus ( MPa)

Poisson’s ratio

Soil

Landfill layer 17.0 0 26.0 19 0.38

Sedimentary

layer (Sand) 17.5 0 28.0 28 0.35

Sedimentary

layer (Gravel) 18.0 0 33.0 50 0.32

Weathered soil 18.0 20 33.0 50 0.32

Weathered rock 20.0 20 35.0 500 0.30

Soft rock 21.0 70 38.0 2,000 0.25

Table 3. Coefficient of permeability Landfill

layer Sedimentary layer Weathered soil

Weathered rock

Soft Sand Sand Gravel rock

1.32×10

^-3

1.03×10

^-3

2.96×10

^-3

4.24×10

^-4

2.52×10

^-4

9.03×10

^-5

며, 시공순서는 Fig. 7과 같다.

3.2 검토구간 지반조건 및 지하수위

버스환승센터 조성구간의 설계 시 수행한 지반조사를 통해 파악된 지층은 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 및 연암 순으

로 분포하고 있는 것으로 조사되었으며, 버스환승센터 조성 구간 하부를 통과하는 기존 지하철구조물의 기초지반은 대 부분 풍화암 및 연암으로 구성되어 있는 것으로 파악되었다. 시추조사 시 파악된 버스환승센터 조성구간의 지하수위는 G.L-5.5m～G.L-8.5m 정도의 분포를 나타내었으며, 평균 지 하수위는 약 G.L-8.0m에 위치하는 것으로 파악되었다.

버스환승센터 조성구간 설계지반정수 및 투수계수는 설 계 시 수행한 지반조사를 통한 실내시험, 현장시험 및 참고 문헌을 종합적으로 분석하여 Table 2 및 Table 3과 같이 산 정하였다.

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Neighbor Stuctures

Seokchon Lake

Neighbor Stuctures Subway Structures

Bus Transfer Center

Fig. 10. Construction planning of S.W.P (Super Well Point) method

Fig. 11. Groundwater change of bus transfer center

Table 4. Groundwater and ground behavior change

Item Initial Construct Completed

Groundwater lowering Excavition Backfill Groundwater restoration

Load - Effective stress

increase Stress release Backfill load

(surcharge load decrease than initial)

Effective stress decrease

Displacement

Structures stability - Subsidence problem Uplift problem Groudwater G.L -7.82 m G.L -12.58 m

3.3 버스환승센터 시공을 위한 지하수위 저감방안

버스환승센터 조성구간은 터파기 굴착 시 지하수위 저하 로 인한 주변지반의 침하를 방지하기 위하여 차수벽을 계획 하였으며, 지하철구조물 상부 터파기 공사로 부력이 발생하 여 구조물 손상 및 피해에 대한 대책으로 지하수위가 관리 될 수 있도록 S.W.P 공법(Super Well Point)을 계획하였다.

Fig. 10은 배수공법의 설치계획 및 지하수위 저하 영향범위 를 표시한 것이다.

S.W.P 공법은 계측결과를 지속적으로 확인하고 관리기 준치를 G.L-12.58m로 설정하여 기준을 만족하지 못하는 경 우에는 추가 설치 등을 통하여 지하수위를 관리하는 것으로 계획되었다. 버스환승센터 시공 전 주변지반의 평균 지하수 위와 시공 중 관리지하수위 조건은 Fig.11과 같으며, S.W.P 공법 적용으로 버스환승센터 구간의 지하수위는 약 -4.76m

가량 저하되는 것으로 분석되었다.

3.4 지하수위 변화 및 굴착으로 인한 거동

지하철구조물 상부에 계획된 버스환승센터는 터파기 시 공 전 S.W.P 공법으로 지하수위 저하에 따른 유효응력 증 가로 인해 침하가 일어나며, 이후 터파기 시공에 의한 응력 해방으로 지반 융기가 발생하게 된다. 버스환승센터 시공 후에는 되메움 및 지하수위 회복으로 지하철구조물은 다시 원상태(버스환승센터 시공 전)와 유사하게 회복된다. 버스 환승센터 시공에 따른 하중 및 지하수위 변화에 따른 지반 거동 특성은 Table 4와 같으며, 본 연구에서는 지하수위 저 하로 발생되는 지반의 유효응력 변화가 지하철구조물에 미 치는 영향을 연구하였다.

4. 지하철구조물 안정성 검토

4.1 안정성 평가기준

4.1.1 침하 및 궤도틀림 평가기준

구조물의 최대 침하량은 구조물 내 각 벽체의 최대 침하 량으로 세분화시킬 수 있으며, 건물의 부등침하량은 구조물 내 벽체 양 끝 점의 지표침하량 차이를 나타내는 값을 의미 한다. 구조물 종류별 침하량 허용기준(Sowers, 1962)으로부 터 적용된 지하철구조물의 최대침하량 및 부등침하량 허용 기준은 Table 5와 같다.

궤도틀림은 도상의 침하, 차량의 진동 등에 의하여 발생 하는 파장이 비교적 짧은 영역의 선형의 오차를 의미하며 면틀림(고저틀림), 줄틀림(방향틀림), 궤간틀림, 수평틀림 등 이 있다(Fig. 12).

궤도틀림에 대한 평가기준은 서울특별시 도시철도공사의 궤도정비기준(서울특별시, 2008)에서 제시하고 있는 지하철 선로 부등침하 기준으로 Table 6과 같다.

(6)

-Longitudinal irregularity

+Alignm ent irregularity Left

Right

(a) Longitudinal irregularity (b) Alignment irregularity

Axis Interval +Track gauge irregularity

+Cross level irregularity Level Axis Interval

(c) Track gauge irregularity (d) Cross level irregularity Fig. 12. Kind and conceptual of track lrregularities

(a) Total stress analysis (b) Effective stress analysis Fig. 13. Couples/Uncoupled analysis

(a) Displacement result (b) Stress result Fig. 14. Structural analysis

Table 5. Subsidence and differential settlement allowance Description Maximum subsidence Differential settlement

Conceptual diagram

Allowance 25.0 mm 0.003S (S: Width)

Table 6. Track lrregularities allowance (Seoul metropolitan rapid transit corporation arrange standard of track (서울특별 시, 2008))`

Description 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)

Table 7. Stability assessment of subway structure

Subway structure forces Allowance force Assessment Construction force ≤

(Groundwater lowering)

Initial force (Currently operating)

Stability Construction force >

(Groundwater lowering) (But, Ensuring satisfactory stability

during design strength)

Instability

4.1.2 지하철구조물 안정성 평가기준

지하철구조물에 작용하는 부재력을 기준으로 시공 중(S.W.P 공법 적용) 지하수위 저하에 따른 부재력을 검토하고 시공 전 대비 부재력이 감소하거나 설계강도를 만족하는 경우 안 정한 것으로 평가하였다.

4.2 안정성 검토방법

지하수위 아래에서 굴착으로 발생하는 지반의 응력변화 는 지반 내 유효응력장의 변화를 가져와 주변지반의 하중지 지능력을 감소시키고 흙의 체적변화로 인한 지반변형을 증 가시키게 된다. 이러한 경우 지반의 역학적 측면과 수리학 적 측면이 고려된 응력-침투 연계해석이 필요하다.

본 연구에서 응력-침투 연계해석(Coupled analysis)을 수 행하기 위해 사용된 유한요소해석 프로그램은 MIDAS사의 GTS NX이며, 침투해석에서 구한 간극수압(Pore Water Pressure) 을 이용하여 침투력의 효과를 응력해석에 적용하는 흐름으로 연계해석을 수행할 수 있다. 침투해석은 정상류 해석(Steady state analysis)과 비정상류 해석(Transient analysis)으로 나

누어 해석할 수 있다.

지하철구조물의 구조검토 수행을 위해 사용한 MIDAS Civil은 2차원 및 3차원 요소로 모델링하여 Static Analysis, Dynamic Analysis, Geometric Non-Liner Analysis 등의 정 해석 및 동해석이 모두 가능하며, 서로 조합된 하중이 작용 하는 경우와 특이한 모델형상을 지닌 조합된 요소형태들을 복합적으로 적용할 수 있는 프로그램이다.

본 연구에서는 연계해석을 통해 산정된 변위를 반영하고 지하철구조물을 2차원 및 3차원으로 모델링하여 구조물의 변위 및 응력을 검토하였으며, 버스환승센터 시공 전 대비 시공 중(지하수위 저하)의 지하철구조물에 대한 침하 및 구 조적 안정성을 평가하였다.

4.3 연계해석을 통한 지하철구조물 안정성 검토

버스환승센터 시공 중 지하수위 관리를 위한 목적으로 S.W.P 공법이 가시설 양측으로 계획되어 있으며, 지하철구 조물이 중앙부와 편측으로 위치하는 각각의 조건에 대하여 풍화암층이 상대적으로 깊은 구간을 선정하여 안정성 검토 를 수행하였다.

(7)

Neighbor Stuctures

Subway Structures

Drainage m ethod Drainage method

TransfeBus

Center Landfill layer Sedim entary layer W eathered soil

Soft rock

W eathered rock Drainage

Neighbor Stuctures

(a) Center position section of subway structures

TransfeBus Center

Subway Structures

Landfill layer Sedim entary layer W eathered soil

Soft rock W eathered rock Soft rock

W eathered rock W eathered soil Sedim entary layer

Landfill layer

Drainage method Drainage m ethod

(b) Side position section of subway structures Fig. 15. Study section status

(a) Initial (b) Construction Fig. 16. Pore pressure head chages (Center)

(a) Total displacement (b) Displacement vector

2.960 3.122

3.007 3.173

(c) Deformed shape (d) Displacement value Fig. 17. Stability result (Center)

(a) Initial (b) Construction Fig. 18. Pore pressure head chages (Side)

(a) Total displacement (b) Displacement vector

1.405 1.265

1.446 1.307

(c) Deformed shape (d) Displacement value Fig. 19. Stability result (Side)

4.3.1 지하철구조물 중앙부 위치 검토 결과

버스환승센터 시공 중 지하철구조물(중앙부 위치) 안정성 검토 결과 구조물의 전체침하는 3.170mm, 부등침하 0.189mm 로 각각의 허용기준(전체침하 25mm, 부등침하 33.24mm(S=

11.080m))을 만족하는 것으로 검토되었다.

지하철구조물이 배수공법 중앙부에 위치하여 지하수위 저 하에 의한 구조물 전체침하 및 부등침하가 미소하게 발생한 것으로 나타났다.

4.3.2 지하철구조물 편측 위치 검토 결과

버스환승센터 시공 중 지하철구조물(편측 위치) 안정성 검

토 결과 구조물의 전체침하는 1.445mm, 부등침하 0.202mm 로 각각의 허용기준(전체침하 25mm, 부등침하 33.24mm(S=

11.080m))을 만족하는 것으로 검토되었다.

지하철구조물이 배수공법 편측에 위치하여 중앙부에 위 치했을 때보다 구조물 부등침하가 상대적으로 크게 발생한 것으로 나타났다.

4.4 구조검토를 통한 지하철구조물 안정성 검토

버스환승센터 조성구간의 하부 지하철구조물은 지하수위 저하에 의한 전체침하량 및 부등침하가 허용치 이내로 발생 하여 구조물 손상 정도는 미소한 것으로 나타났으나, 운영 중인 지하철구조물의 중요도를 고려하여 발생된 침하량에 대하여 2차원 구조검토를 수행하여 구조물 안정성을 평가 하였다. 또한 버스환승센터 조성구간은 지하수위 저하에 의 한 인접구조물의 피해를 최소화하기 위하여 차수벽을 적용 하였으며, 하부 지하철구조물은 지하수위 저하에 의한 차수 벽 내･외부의 침하량 차이로 인한 영향이 클 것으로 판단되 어 곙계부에 대한 3차원 상세 구조검토를 수행하여 안정성 을 평가하였다. 버스환승센터 구간의 지하철구조물의 단면 현황 및 3차원 구조검토 구간은 Fig. 18과 같으며, 안정성 평가를 위한 구조검토는 콘크리트구조기준(2012)을 참고하 여 검토를 수행하였다.

4.4.1 2차원 구조검토

버스환승센터 시공 중 지하수위 저하에 따른 침하량 발

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지하철구조물 단면현황 Neighbor Stuctures

Subway Structures

TransfeBus Center Cutoff collar Outside

Cutoff collar inside

Cross Section of Subway Structures

Fig. 20. 3D Stability assessment section

(a) Initial (b) Groundwater lowering Fig. 21. 2D Structural analysis result

Table 8. Force result of 2D structural analysis

Description

Initial Groundwater lowering Mu

max

(kN･m)

Vu

max

(kN)

Mu

max

(kN･m)

Vu

max

(kN)

Top slab 1,023.5 1,086.8 939.2 1,062.6

Bottom slab 1,342.4 1,098.3 1,190.3 1,022.2

Wall 1,342.4 1,168.4 1,190.3 1,025.5

Table 9. Force result of 3D structural analysis

Description

Initial Groundwater

lowering Design strength Mu

max

(kN･m) Vu

max

(kN)

Mu

max

(kN･m) Vu

max

(kN) Mu

max

(kN･‧m) Vu

max

(kN)

Top slab 183.4 1.7 170.8 5.0 271.1 489.9

Bottom slab 242.3 49.0 238.3 98.9 304.9 551.1

Wall 242.3 47.7 238.3 50.9 271.1 489.9

(a) Initial longitudinal direction moment

(b) Longitudinal direction moment of groundwater lowering Fig. 22. 3D Structural analysis result

Fig. 23. Displacement of bottom slab

Fig. 24. Displacement graph of bottom slab

생으로 지하철구조물의 안정성을 평가하기 위하여 부등침

하가 가장 큰 조건의 변위를 벡터하중으로 구조물에 적용하 여 구조검토를 수행하였다. 연계해석으로 산정된 침하량을 고려하여 2차원 구조검토를 수행한 결과 발생된 부재력이 시공 전(설계) 부재력보다 적게 나타남에 따라 지하수위 저 하에 의한 지반거동으로 부터 지하철구조물의 안정성은 확 보되는 것으로 나타났다.

4.4.2 3차원 구조검토

차수벽 내･외부의 지하수위 변화에 의한 침하량 차이에 따라 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 3차 원 구조검토를 수행하였으며, 구조검토 결과를 통하여 종방 향 부재력 및 선로 궤도틀림을 검토하였다. 2차원 구조검토 와 동일하게 구간별 부등침하 변위벡터를 침하하중으로 적

용하여 안정성 검토를 수행하였다.

3차원 구조검토 결과 초기 지하수위 조건 대비 지하수위 저하 조건에서 부재의 모멘트는 감소하고 전단력은 증가하 는 것으로 나타났으나 설계강도를 만족하여 지하철구조물 의 안정성은 확보되는 것으로 나타났다.

또한 구조기준에 의한 지하철구조물 3차원 구조검토 결 과에서 발생한 전체침하는 3.897mm, 부등침하는 0.447mm 로 각각의 허용기준(전체침하 25mm, 부등침하 33.84mm(S=

11.280m))을 만족하는 것으로 검토되었다. Fig. 21 및 Fig.

22는 3차원 구조검토 결과에서 나타난 지하철구조물의 하 부슬래브 침하량 및 변형도이다.

(9)

Table 10. Track lrregularities result of subway structures

Description Result Assessment

Rail

Track gauge Up 0.208 mm < 3.0 mm O.K Down 0.218 mm < 3.0 mm O.K Cross level Up 0.098 mm < 9.0 mm O.K Down 0.142 mm < 9.0 mm O.K

Longitudinal

Up 0.309 mm < 3.0 mm / 2 m

(Curve) O.K

Down 0.359 mm < 3.0 mm / 2 m

(Curve) O.K

Alignment Up 1.807 mm < 9.0 mm / 10 m O.K Down 1.819 mm < 9.0 mm / 10 m O.K

운영 중인 지하철구조물은 차량 주행에 대한 안정성이 중 요하므로 3차원 구조계산 결과를 바탕으로 궤도틀림 검토를 수행하였다. 선로의 궤도틀림은 양쪽 방향 모두 허용기준 (궤간틀림 : 3.0mm, 수평틀림 : 9.0mm, 줄틀림 : 9.0mm/10m, 면틀림 : 3.0mm/2m(곡선부))을 만족하는 것으로 검토되었 으며, 검토 결과는 Table 10과 같다.

5. 결 론

본 연구에서는 지하수위 저하에 따른 지중구조물(지하철 구조물)의 안정성에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하 였다. 이를 위해 시공 전 지하수위 계측 및 배수공법 적용 현황에 따른 관리지하수위 적용으로 지하수위 변화를 분석 하였으며, 지하수위 저하 조건에 따른 연계해석 및 구조검 토를 통하여 현재 운행 중인 지하철구조물의 안정성을 검토 하였다.

(1) 지하수위 변화에 따른 지반침하는 초기 유효응력 대비 지하수위 저하 시 유효응력이 더 증가하여 지반침하를 초래하게 되며, 지중구조물은 지하수위 변화에 따른 유 효응력의 영향을 가장 크게 받을 것으로 판단된다.

(2) 교통영향 개선대책으로 계획된 버스환승센터 조성구간 은 터파기 굴착 시 지하수위 저하로 인한 주변지반의 침 하를 방지하기 위하여 차수벽이 계획되어 있으며, 지하

철구조물 상부 터파기 공사로 부력이 발생하여 구조물 손상 및 피해에 대한 대책으로 지하수위를 저하시키기 위한 S.W.P 공법이 계획되었다.

(3) 배수공법 적용에 따른 지하수위 저하가 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 연계해석을 수행하여 전체침하 및 부등침하에 대한 안정성 검토를 수행한 결 과 모두 허용치 이내로 발생하였다. 또한 발생된 침하 를 변위 벡터하중으로 지하철구조물에 적용하여 2차원 구조계산을 통한 안정성을 평가하였다.

(4) 버스환승텐터 조성구간의 차수벽 내･외부는 지하수위 변화에 의한 침하량 차이가 나타나므로 지하철구조물 에 미치는 영향을 검토하기 위한 3차원 구조검토를 수 행하였으며, 구조검토 결과 부재력 및 발생 변위에 대 한 궤도틀림 등 지하철구조물의 안정성은 확보되는 것 으로 나타났다.

(5) 최근 도심지에서 지하수위 변화에 따른 지반거동 문제 에 대한 관심이 증가되고 있으므로, 본 연구와 같이 지 하수위 변화에 따른 지반거동 및 인접구조물에 미치는 영향을 시공 전에 예측하여 안전하고 합리적인 공사관 리가 이루어질 수 있을 것이라 판단된다.

References