1. 서 론
2. 검토대상 정거장 및 대안공법 선정
2.1 부본선 건설 검토대상 정거장 선정
2.2 기존터널 확폭 대안공법 선정
3. 시공 순서를 반영한 3차원 안정성 검토
3.1 3차원 수치모델
3.2 모델 해석결과
4. 결 론
1. 서 론
지하철 노선 중 9호선은 총연장 31.7 km, 총 30개의 역사가 운행 중에 있으며, 이 중 12개 역은 급행열차 운행을 위한 부본선을 설치하여 성공적으로 운행 중에 있다. 9호선과 같은 완행 및 급행열차의 동시 운영은 도시민의 출 ‧ 퇴근 시간을 단축시키는 효과가 있을 뿐만 아니라 여의도, 강남 등의 주요 업무지구를 빠르게 연결하는 황금노선으로 자리매김하고 있다(Ko et al., 2014; Kim et al., 2016; Park and Lee, 2017). 이에 부응하여 통근시간이 평균 1시간 36분에 달하는 분당선, 일산선, 과천선에 대해서도 수도권의 교통혼잡을 해소하기 위한 수도권 광역급행열차의 수요에 대한 목소리가 지속적으로 커지고 있으며, 자연스럽게 도시철도 대부분을 차지하는 지하구간에서의 완 ‧ 급행 열차 운행을 위한 부본선 설치방안에 대한 연구의 중요성이 커지고 있다(Kim et al., 2013; Park, 2017). 이때, 부본선 건설을 위해 기존 노선의 운행을 일시적으로 중지하는 것은 그로 인한 경제 ‧ 사회적인 손실이 매우 크고 현실적으로 불가능하기 때문에 기존 지하철 터널의 운용 중 부본선을 건설할 수 있는 시공 기술의 개발이 필요하다. 그러나 부본선 건설을 위한 기존 지하철 터널의 운용 중 확폭 시공은 부본선 설치심도 변경이 불가함에 따라 양호한 지층조건에서의 터널위치 선정이 어렵고, 지하구간에서 다양한 형상의 확폭터널이 굴착되어야 함에 따라 세계적으로도 시공사례가 많지 않다(Yi et al., 2019). 따라서 본 연구는 부본선 설치 수요가 존재하는 지하철 노선 및 역사를 대상으로 하여 운영 중 부본선의 구간별 단면계획 및 시공 방안을 모색하는 것에 그 목적을 두고 있다.
본 논문에서는 기존 운행 중 복선 NATM 터널을 대상으로 하는 부본선 건설방안에 대한 검토를 위해 일련의 선정과정을 거쳐 지하철 4호선 과천선의 정부과천청사역을 연구 대표성을 가지는 연구대상 역사로 선정하고 구간별 단면, 공법계획, 안정성 검토를 통해 기존 NATM 터널의 확폭 방안에 대한 기초연구를 수행하였다. 연구대상 구조물인 정거장은 개착 구조물, 본선부는 NATM 터널로 접속되는 구간을 선정하여 4가지 대안공법을 제시하였다. 마지막으로 경제성에 비해 안정성에 문제가 될 것으로 판단되는 대안공법 중 한 가지를 선택하여 3차원 수치해석을 통해 구조안정 해석을 수행하였으며 본 논문에서 제시한 부본선 건설 계획의 적절성을 확인하였다.
2. 검토대상 정거장 및 대안공법 선정
2.1 부본선 건설 검토대상 정거장 선정
검토대상 정거장 선정을 위해 부본선 건설 수요가 존재하는 과천선, 일산선, 분당선의 역사들이 검토대상 정거장 후보로 선정되었다. 본 논문에서는 복선 NATM 터널과 접속되는 정거장을 대상으로 하는 건설방안을 모색하는 것이 목적이므로 해당 조건에 부합하는 역사를 선정하고자 하였다. 일산선의 경우 부본선 건설 대상역들의 구간이 개착식 박스형 터널로 이루어져 있어 검토대상 노선으로 부적합한 것으로 나타났다. 분당선 대상역들의 경우 곡선으로 이루어져 있거나 곡선반경이 작아 부본선 건설 검토대상 정거장으로는 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 마지막으로 과천선의 경우 정부과천청사역의 시점 및 종점이 NATM 터널로 접속이 되며, 시점부 및 종점부가 거의 직선 선형(R = 2,000)으로 계획되어 있다. 따라서 부본선 설치를 위한 확폭 터널의 시공성이 양호한 조건이므로 본 연구에서는 대안공법 적용 대상 정거장을 과천선의 정부과천청사역으로 선정하였다.
상기 검토대상 정거장 선정 과정을 거쳐 가상 부본선 건설 대상 역사로 선정된 정부과천청사역이 포함되는 과천선은 노선연장 14.4 km의 노선으로서 2020년 상반기 개통예정인 갈현역을 포함하면 정거장 수는 총 11개소이다. Fig. 1에는 과천선 NATM 터널 단면과 정거장 현황이 나타나 있다. 현재 지상 정거장을 제외하고 지하철로 운영되고 있는 정거장은 9개소로, 해당 노선의 1일 열차 운행횟수는 평일 259회, 휴일 222회로 운행 중에 있다. 이중 본 연구의 대상역인 정부과천청사역의 경우 Table 1에 나타난 것과 같이 상대식 정거장으로 정거장 곡선반경이 R = 2,000으로 곡선반경이 상대적으로 크게 건설되어 있다. 해당 정거장의 곡선반경이 큰 상황임에 따라 확폭 시공에 있어서 제한여건이 되지 않으며, 점 정부과천청사역의 시및 종점부는 복선 NATM 터널로 운행 중인 구간임에 따라 검토대상 역으로 적합할 것으로 판단된다. 정부과천청사역은 1994년 4월 개통됨에 따라 현재에는 관련 설계 및 시공도서 입수가 어려운 관계로 과천선 건설지를 이용하여 평면 및 종단, 지층정보, 터널 및 정거장 시설현황을 확인하였다. Fig. 2에는 과천선의 NATM 터널 단면과 정거장 현황이 나타나 있다.
Table 1. Status of Gwacheon line by subway station
부본선 건설을 위해 기존선으로부터 개량이 필요한 구간은 크게 본선 분기 구간, 정거장 확폭 구간 및 단선 병렬 구간으로 나눌 수 있다. 이 가운데 단선 병렬 구간은 기존 운행 터널에 간섭 없는 별도 구조물로 건설할 수 있기 때문에 본 연구에서의 검토 대상은 본선 분기 구간과 정거장 구간이며, 기존 NATM 터널에서의 본선 분기 구간 시공 방안이 연구의 핵심이다. 분기 구간 계획에는 기존선으로부터 분기되는 배선의 경우 열차의 속도저하 영향이 적은 분기기로서 많이 사용되는 F12번 분기기 사용을 기본으로 하였다. 이를 통하여 기존 복선 터널로부터 분기되어 개착 정거장까지 도달하는데 필요한 구간은 약 202 m 정도이며, Fig. 3에 나타난 것과 같다. 배선계획에 맞추어 구간별 단면계획은 확폭 터널, 2 또는 3-아치 터널, 그리고 단선병렬 터널 순으로 구성된다.
2.2 기존터널 확폭 대안공법 선정
운영 중인 터널의 확폭 구조물 계획을 위한 1차적인 제한여건으로는 지상부 작업조건으로 들 수 있다. 즉, 터널 상부에 이설이 어려운 구조물이 있거나, 작업부지 확보가 어려운 경우에는 개착 구조물 계획이 불가하다. 대상 지반의 지층조건 또한 결정적인 요소이다. 양호한 암반구간의 경우 비개착 공법은 강관추진에 어려움이 있어 NATM 공법을 적정한 대안공법으로 검토하였다. 반면에 토사지반에서는 안전성 확보를 위하여 비개착공법이 적정한 대안공법으로 검토될 수 있다(Fig. 4 참조).
비개착 공법의 경우 막장 자립이 곤란한 연약한 지반이나 과밀화된 교통난 및 지하 매설물의 장애로 인하여 개착공사를 하지 못하는 지하 터널 공사에 주로 적용된다. 비개착 공법은 시공방법에 따라 구조물 견인방식, 강관 추진 방식 및 플레이트 추진 방식 등으로 구분할 수 있다(Fig. 5 참조). 본 연구에서는 비개착 공법과 함께 최근 적용사례가 증가하는 초대구경 강관 압입 또는 파이프 루프 공법을 검토대상으로 하여 구간별 공법계획을 수립하였다.
부본선 건설을 위한 구조물 계획안은 1차적으로 구간별 터널 단면형식을 계획한 이후 2차적으로 적정 공법을 선정하는 흐름으로 하였다. 이와 함께 터널 굴착을 위한 작업구 위치를 구조물 계획(안) 별로 차등 적용하여 시공성을 개선토록 하였다. 부본선 건설은 복선 NATM 터널로 이루어진 기존 운행선의 열차운행에 지장을 주지 않는 조건에서 시공이 되어야 한다는 것을 기본전제로 하여 터널 확폭 구조물 계획(안)을 검토하였다. 따라서 터널 굴착 이전에 기존 NATM 터널 내에 전차선 이설과 재설치, 기존 라이닝 철거 시 운행선에 영향이 미치지 않도록 하기 위한 목적의 프로텍터를 설치하여야 한다. 기존 터널 내 프로텍터 설치에 대한 개략도가 Fig. 6에 나타나 있다. 본 논문에서는 프로텍터 설치방안에 대한 내용은 실제 시공 과정과 더욱 밀접한 관련이 있는 것으로 판단하여 생략하였다. 본 논문에서는 4가지의 계획(안)을 Table 2와 같이 제시하였다. Table 2에서 제시한 단면은 Fig. 3에서 나타낸 확폭 터널, 2 또는 3-아치 터널, 단선병렬 터널로 이어지는 터널 계획에서 2- 또는 3-아치 터널 구간 단면에 해당한다. 여기서 확폭 터널의 경우 터널 천단에 초대구경 천단보강을 계획하는 공통적인 단면계획을 수립토록 하였다. 상기의 터널 단면계획을 수립하기 위한 평면 계획은 Table 3과 같으며, 그에 수반되는 구간별 단면계획은 Table 4와 같다.
Table 2. Enlarged tunnel plan for diverging area by construction plan
Table 3. Plan design by construction plan
Table 4. Cross-section design by construction plan
검토안 1의 경우 확폭 터널과 3-아치 터널로 구성되어 있다. 해당 방안은 다른 방안에 비해 최소한의 굴착이 이루어지기 때문에 연암에서 경암 정도의 암반이 양호한 조건에서 시공이 가능하며 작업구의 경우 전단면 개착이 이루어진다. 3-아치 터널의 경우 좌 ‧ 우측 터널 굴착 중 구조물을 시공한 후 중앙부를 확대 굴착하는 방식으로 이루어진다. 검토안 1의 경우 타 검토안에 비해 굴착량이 적으므로 공사비가 가장 적을 것으로 판단되며, 그에 따라 면밀한 안정성 검토가 필요한 것으로 사료된다.
검토안 2의 경우 전단면 개착 작업구 형성 후 강관추진 비개착공법을 적용한 방안이다. 비개착으로 강관을 추진하고 및 확대 굴착을 통해 분기부 확폭 단면 시공을 다량의 대구경 강관을 통해 상재하중을 지지하기 때문에 검토안 1에 비해 지반이 불량한 토사지반에서 풍화암 지반까지 적용이 가능한 것으로 판단된다. 또한, 파이프 루프 시공성, 안정성 향상과 장기적 누수발생 가능성을 최소화 하기 위하여 터널 천단부 아치에서의 변곡점이 없도록 단면계획을 수립하여야 한다.
검토안 3의 경우 작업구 면적을 최소화하여 주변 민원 발생을 최소화하는 것을 목적으로 검토한 공법으로서 9호선의 고속터미널역에서 적용한 공법(CAM 공법)을 참조하여 검토한 공법이다. CAM 공법은 토피가 작은 토사층에서 대단면 터널 구조물을 축조할 때 적용하는 공법이다. 해당 공법은 지중에서 다량의 대구경 강관을 유압잭으로 압입 및 내부 굴착하고 아치 형태로 배열하여 설치한 후, 루프를 형성하는 강관을 지지하는 횡방향 거더를 설치하여 아치형 횡방향 콘크리트 빔을 형성한다. 아치형 빔은 강관 추진 시 병행 시공한 파일럿 터널의 내부 벽체와 일체화시킨다. 이로써 목적하는 대단면 터널의 내부 단면을 굴착하기 전에 터널 구조물을 축조하고 내부 굴착을 시행하므로 지반 변위를 최소화하고 안전한 대단면 지하 구조물을 축조할 수 있다. 이를 통해 도로 좌 ‧ 우측에 소규모 작업구를 개설한 후 TRcM 비개착 공법의 적용을 통해 본선 작업구를 시공한다. 마지막으로 좌 ‧ 우측 기초부 암반구간에 파일럿 터널을 굴착한 후 기초 구조물을 시공하여 안전한 구조물을 형성한 후 내부를 확대 굴착해 나가는 방안이다.
검토안 4의 경우 지하 굴착 시 주변 침하를 최소화하기 위한 방안으로 지중연속벽을 추가적으로 계획한 안이다. 구조물 벽체로 활용될 지중연속벽을 먼저 시공 후 좌 ‧ 우 작업구를 굴착한다. 작업구에서 비개착 TRcM 공법으로 본선 작업구를 형성하고 강관을 추진한다. 이때 좌 ‧ 우측의 비개착 기초는 선 시공된 지중연속벽에 고정하여 상부하중에 저항하는 안정한 구조물을 형성한 후 내부를 굴착해 나가는 방식이다. 그러나 본 방안의 경우 비개착 공법과의 접합부에 대한 상세 보강계획을 추가적으로 검토해야하는 안이다.
이상의 다양한 평면계획 및 터널 단면계획 검토에 대해 부본선 건설 시의 안정성 측면, 공사비 측면 및 공기측면에서 공법별 비교검토를 수행하였다. 각각의 검토안에 대한 특성 비교결과는 Table 5와 같다. 각 대안별 소요 공사비에 대한 내용을 정량적으로 표현하지 않았으나, 일반적으로 비개착 공법이 적용되지 않은 조건에서 공사비가 절감되는 상황을 고려할 때 검토안 1이 경제성 측면에서 가장 우수한 것으로 평가할 수 있다. 그러나 그에 반해 안정성 측면에서는 가장 저평가될 것으로 판단된다. 따라서 본 논문에서는 Table 5의 비교결과에서와 같이 안정성 측면에서 가장 저평가될 가능성이 높은 검토안 1에 대하여 3차원 모델링을 통한 수치해석을 수행하여 구간별 또는 시공단계별 신규 및 기존 터널 구조물의 안정성을 검토하였다.
Table 5. Comparison of alternative sidetrack construction plan
3. 시공 순서를 반영한 3차원 안정성 검토
3.1 3차원 수치모델
3차원 안정성 해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS NX를 사용하였다. 지반모델링 시 연속체 해석 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 항복기준을 적용하였다. 지층은 정부과천청사역 건설지를 참고하여 매립층, 풍화토, 풍화암, 연암으로 구성하였다. 모델의 전체 크기는 종방향 220 m, 횡방향 119 m, 높이 55 m이다. 전술한 부본선 건설 검토안 1의 개착터널 굴착 및 가시설 설치, 확폭 터널 및 3-아치 터널 동시굴착 그리고 좌 ‧ 우 단선터널 굴착의 전 터널 시공 과정을 모사하였다(3-D full modeling). Fig. 7에 전체적인 해석 모델의 형상이 나타나 있으며, 입력된 지반의 물성치는 Table 6에 나타나 있다. 이때, 초대구경 강관보강 그라우팅 부분의 물성치는 등가 탄성물성 산정방법을 통해 원형을 사각형면적으로 환산하여 산정하였다. 또한 터널 지보재 역할을 하는 숏크리트와 록볼트(SD 350, D25)의 물성치는 Table 7에 나타나 있다.
Table 6. Ground properties for numerical analysis
Table 7. Support properties for numerical analysis
부본선 굴착 시공 순서는 Fig. 8에 나타난 것과 같다. 해석은 개착터널 굴착 및 가시설 설치, 확폭 터널 및 3-아치 터널 동시 굴착, 좌 ‧ 우 단선병렬 터널 굴착 순으로 이루어진다. 시공에 따른 해석단계는 총 80단계로 이루어져있으며, 프로텍터 설치 공정은 모사하지 않는다.
Fig. 9(a)에 나타난 것과 같이 확폭 터널 구간에는 기존 터널의 양측으로 단면전체를 확폭하는 양측확대 공법을 모사하였다. 먼저, 터널확대로 인한 붕괴의 위험을 방지하고자 사전 보강작업으로 초대구경 강관보강 그라우팅 부분을 상부에 모사하였다. 확폭 터널부 굴착은 기존선 상부 굴착, 좌 ‧ 우부 굴착, 하부굴착 순으로 진행하며 확폭 터널부 라이닝 타설 후 기존 운행선의 라이닝을 철거하는 것을 모델링하였다. 3-아치 터널부 역시 확폭 터널과 마찬가지로 초대구경 강관보강 그라우팅으로 사전보강을 실시하고 3-아치 터널부를 굴착순서에 따라 굴착을 모사하였다(Fig. 9(b)). Fig. 9(c)와 같이 단선병렬 터널부의 경우에는 전단면 굴착을 모사하였다.
3.2 모델 해석결과
본 절에서는 3차원 모델링을 통해 터널 확폭 시공 시 기존 터널 및 신설 터널의 안정성 유무를 판단하였다. 터널 허용 지표침하량의 경우 국토교통부 도로설계편람의 기준을 사용하였으며 터널 천단변위와 내공변위의 경우 각각 프랑스 공업성의 관리기준과 일본의 비도건설 관리기준을 기준으로 해석 결과를 평가하였다. 마지막으로 숏크리트 허용응력, 록볼트 허용축력의 경우 국토교통부 터널설계기준을 사용하였다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2012; 2016). 본 연구에서 수행된 안정성 해석 결과가 사용된 설계기준과 함께 Table 8에 요약되어 있으며 각 결과에 대한 상세는 다음과 같다.
Table 8. Summary of numerical analysis
모든 부본선 시공이 완료된 후 지표침하의 경우 Fig. 10과 같이 확폭 터널 위 지표와 3-아치 터널 위 지표에서 각각 7.5 mm, 9.9 mm의 지표침하량이 발생하였다. 이는 허용 지표침하량 10 cm 이내로 확폭 터널과 3-아치 터널 굴착에 따른 지표침하는 미미한 것으로 판단된다. 다만, 각 터널 상부지표 부근에서 시공순서에 따라 지표침하가 계속해서 발생하므로 계측을 통해 시공 단계별 상세 지표침하량을 점검해 볼 필요가 있다.
확폭 터널 부분의 경우 Fig. 11에서 나타난 것과 같이 최대 천단변위량이 13.6 mm, 내공변위량이 2.8 mm, 숏크리트 휨압축응력이 5.5 MPa이 발생하였다. 천단변위량 및 내공변위량, 숏크리트 휨압축응력이 허용치 이내의 값으로 굴착 시 안정성이 충분히 확보된다고 판단할 수 있으나 필요시 고강도 숏크리트를 사용하는 등 추가적인 보강조치를 통해 안정성을 높일 수 있다.
3-아치터널의 경우 Fig. 12에서 나타난 것과 같이 천단변위량 18.8 mm, 내공변위량 1.4 mm, 숏크리트 휨압축응력 6 MPa이 발생하였다. 확폭터널부와 마찬가지로, 천단변위량 및 내공변위량, 숏크리트 휨압축응력이 허용치 이내의 값으로 굴착 시 안정성이 충분히 확보된다고 판단할 수 있다. 필요시 고강도 숏크리트를 사용하는 등 추가적인 보강조치를 통해 안정성을 높일 수 있다. 또한, 3-아치터널 굴착 시 내부라이닝이 타설되기 전 H 파일에 의해 지지될 때 강성부족으로 H 파일에 좌굴이 발생할 수 있기 때문에 고강성의 H 파일로 시공하거나 콘크리트 기둥을 설치하여 안정성을 확보해야한다.
Fig. 13에 나타낸 단선병렬 터널 부분 해석결과의 경우 천단변위량이 1.5 mm, 내공변위량이 0.6 mm, 숏크리트 휨압축응력이 1 MPa, 록볼트 축력이 8.3 kN으로 모두 허용치 이내의 값으로 시공 시 안정성을 충분히 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 3-아치 터널로부터 단선병렬 구간으로 분기하는 위치에서 가장 큰 휨압축응력이 작용하는 것으로 보아 기둥 폭이 충분치 않을 경우 더 큰 휨압축응력이 발생하여 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 필요시 기존 복선터널과 신설 단선병렬 터널 간에 타이드 볼트를 체결하여 구조물의 안정성을 확보하는 방안을 검토해야 한다.
4. 결 론
기존 운행 중인 정거장의 확폭을 계획함에 있어서, 터널 종단 변경이 불가한 조건, 즉 지층조건이 양호한 위치에 부본선 위치를 선정할 수 없는 제한여건이 존재한다. 이로 인해 터널 안정성 확보방안, 효율적인 열차운행 여건 제공을 위한 심도있는 검토가 필요하다. 본 논문에서는 기존 운행 중 복선 NATM 터널을 대상으로 하는 부본선 건설방안에 대한 검토를 위해 일련의 선정과정을 거쳐 연구대상 역사를 선정한 후 구간별 단면, 공법계획, 안정성 검토를 통해 기존 NATM 터널의 확폭 방안에 대한 기초연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.
1. 일산선, 분당선, 과천선의 부본선 건설 대상 역사를 검토한 결과 NATM 터널과의 접속여부와 선형이 부합하는 정부과천청사역이 연구대상 역사로 선정되었다. 부본선 건설 검토대상 노선에서의 일련의 정거장 선정과정을 통해 부본선 건설을 위한 터널 확폭 기초연구결과의 대표성을 가질 수 있다고 사료된다.
2. 연구대상 구조물인 부본선의 정거장은 개착 구조물, 본선부는 NATM 터널로 접속되는 구간으로 설정하여 4가지 대안공법을 제시하였으며, 검토안 1이 경제성 측면에서 가장 우수하나 그에 반해 안정성 측면에서는 가장 저평가되는 것으로 나타났다.
3. 경제성에 비해 안정성에 문제가 될 것으로 판단되는 대안공법인 검토안 1에 대하여 3차원 수치해석을 통해 구조안정 해석을 수행하였다. 3차원 해석결과 터널 지보재에서 발생되는 응력은 허용치 이내를 보이나, 터널 천단 및 지표침하가 다른 해석결과에 비해 상대적으로 다소 큰 값으로 도출되었다. 이는 향후 부본선 건설을 위한 설계 ‧ 시공 시 관리되어야 하는 항목이며, 이외에 지반조건, 지보재 설계 ‧ 시공 조건, 굴착방법 등의 추가적인 매개변수해석 연구가 필요할 것으로 사료된다.
