1.서론

도심 교통난 해소에 지대한 영향을 미치는 지하철건설에서 터널공법이 차지하는 비중은 점차로 증가해 왔으며, 주된 이유로는 공사중 교통차단이나 기존 시설물에 미치는 영향을 최소화하려는 사회적 요구조건의 향상과 터널설계 및 건설기술의 향상을 들 수 있다. 지하철공사에서 터널공법은 지장물에 미치는 영향이 적은 특징으로 인하여 양호한 지반조건에서 상대적으로 단면적이 작은 본선터널에서만 적용되어 왔으나, 최근에는 풍화토, 풍화암과 같은 불량지반은 물론 분기구간이나 정거장과 같은 대단면이 요구되는 구간에서도 터널공법의 적용이 늘고 있다 (장석부 등, 2000; Iwamura, 1994).

최근의 서울지하철 9호선과 5대 광역시 도심지하철노선계획을 분석해 보면, 지하철 터널의 특징은 단면이 대형화되고 토피가 적어짐에 따른 지반조건의 불량화와 기존 지상건물이나 구조물에 근접하는 경향이 뚜렷하다.  따라서, 터널계획단계에서 이제까지의 겪어보지 못했던 어려운 여건이 많이 발생하고 있기 때문에 터널안정확보와 지반침하억제에 많은 노력이 요구되고 있다.

본 논문에서 소개하는 현장은 대전지하철 노선중 대전역사 하부를 통과하는 정거장 구간으로써 단면폭이 넓어 당초 설계시 파이프루프에 의한 언더피닝공법이 계획되었으나, 시공성이 낮아 공기지연이 예상되고 침하문제가 우려되어 터널공법으로 변경하게 되었다. 터널계획시 중점적으로 고려되었던 사항은 국내 최대폭 (28m)으로 계획되고 있는 대단면 터널의 안정성확보와 더불어 지상의 대전역사 및 경부선 선로의 영향을 최소화하는 것이었다. 이를 위하여 기존의 일반적인 터널에서는 잘 적용되지 않는 보강공법은 물론 터널굴착 및 지보에 많은 연구 및 검토가 이루어 졌다. 이에, 본 논문에서는 대전역사 하부통과 대단면 3-arch 터널의 계획단계에서 막장안정과 지반침하억제를 위하여 적용되었던 대책과 이를 검토하기 위하여 수행되었던 수치해석결과를 소개하였다.

2.현장여건

과업구간은 그림 1과 2와 같이 대전지하철 104정거장 구간중 대전역사 하부를 통과하는 연장 55m 구간으로 대전역사는 갱구부에서 약 25m 떨어진 지점에 위치하고 경부선 선로는 정거장구간 직상부에 위치하지는 않으나, 터널의 종방향 침하영향권 내에 3～4개 선로가 위치한다.

대전역사는 최초 준공이후 43년이 경과된 노후 구조물로서 지하1층, 지상 3층 규모의 철근 콘크리트 라멘 구조로서 건물 기초형식은 나무말뚝과 증축시 시공된 콘크리트 말뚝으로 구성되어 있다. 대전역사에 대한 정밀 안전진단 보고서에 의하면 예상 지반침하에 의한 구조물의 안전성 검토결과 굴착면에 접한 구조물 기초부위의 지반이 12mm정도의 국부적인 침하가 발생하였을 때 구조물의 부재내력이 허용값을 초과하는 것으로 나타났으며, 허용 각변위는 1/500～1/600으로 설정하였다.

경부선 철도에 대한 허용침하량은 철도 보선기준에 의하면 7mm이하가 제시되어 있으나, 현실적으로 만족시키기 어려운 조건이다. 통과구간이 자갈도상임을 감안하여 선로보수 등의 유지관리를 충실히 하되 철도의 부등침하가 최소화 되도록 계획하는 것이 바람직하다.

지반조건은 터널 상․하반 모두 풍화암에 위치하고 있으며, 지표면으로부터 매립토, 충적토, 풍화토, 풍화암, 연암 순으로 분포한다. 터널 천단에서 지표까지의 토피는 약 23m이며, 지하수위는 개착구간의 굴착으로 인해 현재의 굴착심도보다 1～2m 상부에 위치하고 있으며, 터널주변 풍화암의 투수계수는 7.17x10-5～1.17x10-4 cm/sec이다.

3.표준단면

경부선 대전역 하부를 통과하는 대전지하철 대전역사는 굴착심도가 낮고 지하철 구조물 폭이 넓으며 지표에 경부선 철로등이 통과하여 침하에 매우 민감하므로 침하를 억제하고 안정성을 유지할 수 있는 터널단면으로 계획하였다. 이를 위해 그림 3과 같이 3-arch터널의 단면형식을 비교하였으며, 단면 설계를 위한 설계조건은 표 1과 같다.

단면형식 A는 B에 비해 지표침하량을 약 50%정도 감소시킬 수 있었으며, 지표침하량이 굴착단계에 따라 점진적으로 증가하므로 시공 중 안정성 확보에 상대적으로 유리할 것으로 분석되었다. 단, 단면 A는 단면B에 비하여 단면분할이 많아 공사기간이 상대적으로 긴 단점이 있다. 그러나, 본 과업의 특성을 고려하면, 터널계획상 지표침하 억제 및 시공중 안정성 확보가 매우 중요하므로 단면형식 A를 적용하였으며 상세한 표준단면은 그림 4와 같다.

4.터널굴착 및 지보

본 3-arch 정거장 터널은 단면 규모에 비해 굴착심도가 낮고 풍화토 및 풍화암 지반에 위치하고 기존 경부선 대전역사 하부를 통과하므로 발파공법을 적용시 발파에 의한 소음․진동으로 대전역 이용객에게 불안감 및 역사건물의 균열을 유발할 가능성이 있으므로 기계굴착 방법을 적용하도록 하였다.

굴착공법으로는 터널안정성 확보와 지반침하 억제가 주요 고려사항이므로 불리한 지반조건의 막장 안정성을 확보하고 침하를 억제하는데 효과적인 링컷공법 및 가인버트를 선진터널 굴착시 적용하도록 하였다. 또한, 각 터널 굴착시 굴진장은 0.8m로 하고 숏벤치컷을 적용하여 조기에 단면을 폐합하도록 하였다. 굴착은 지반침하 억제와 선진 터널의 지보재와 방수재 보호를 위해 터널 확공을 2막장 굴착진행 후 선진터널 지보벽을 철거하도록 하였으며 본선 단선병렬 터널과 연계된 굴착계획을 수립하였다.

지보는 지반침하를 억제하기 위해 강성이 높은 지보재인 H150 강지보재나 숏크리트 25cm에 철망 2겹을 적용하였고 적용 지보패턴은 그림 5와 같이 설계하였다. 특히, 상반굴착 중 바닥 양측 우각부의 응력집중과 바닥면 히빙을 억제하기위해 가인버트를 시공하도록 하였으며 중앙필라는 체결볼트를 이용하여 필라의 구속압을 증가시켜 안정성을 향상하도록 하였다.

굴착순서는 침하억제를 위해 좌측선진터널 굴착 및 기둥시공이 완료된 후 우측선진터널을 굴착하고 선진터널 굴착이 완료된 후 중앙터널을 굴착한 뒤 양측터널을 굴착하도록 하였다 (그림 6). 이는 침하억제 효과뿐만 아니라 본선 병렬터널 굴착을 위한 시공성을 고려할 때 유리한 순서인 것으로 판단되었다. 본선 병렬터널은 3-arch 터널 끝벽위치에서 굴진이 시작되므로 상호 연관된 굴착계획이 필요하였고 3-arch 터널의 기둥 및 중앙터널 라이닝과 인버트는 본선터널과 중첩되지 않으므로 조기에 설치하여 터널을 보강하도록 하였다. 단, 양측터널 라이닝은 지보재에 의해 터널 안정이 이루어질 것으로 판단되어 시공성을 고려하여 본선터널 굴착 및 라이닝 시공후에 수행토록 하였다.

5.터널보강

불량한 지반조건에서 대단면 3-arch 터널 시공시 안정성 확보와 지반침하를 억제하기 위해 다양한 보강방법을 적용하였다. 적용된 터널 보강공법들은 대구경 강관다단 그라우팅, 마이크로 파일, 록볼트 체결, 막장 수평보강 및 그라우팅등으로 적용위치와 보강효과는 각각 차이가 있지만 궁극적으로는 터널 굴착시 안정성을 확보하고 지반침하 및 선로침하를 억제하고자 하는 것으로 그 적용 개요는 다음 표 2와 같다.

터널 천정 및 어깨부는 강관다단그라우팅을 대구경 강관으로 적용하고 측벽부는 작용하중이 상대적으로 낮으므로 일반강관다단 그라우팅을 적용하도록 하였으며 그림 7과 같이 갱구부에는 3열을 시공하고 갱내에서는 4m 중첩을 유지하여 3열 시공효과를 발휘하도록 하였다.

그림 8은 막장면 수평보강재의 시공계획으로써 터널 막장면의 밀려나옴을 억제하여 막장전방 지반의 종방향 아치를 형성하므로써 막장안정 및 변위억제효과를 나타내었다. 그림 9는 3차원 해석을 통한 수평보강재의 지반침하 억제효과를 검토한 결과로써 최종 변위 억제효과가

보강후가 보강전에 비해 천단에서는 8.3%, 지표에서는 12.8%의 억제효과가 있는 것으로 나타났다.

중앙필라는 체결 록볼트를 이용해 수평방향 구속효과를 발생시켜 보강하도록 하였으며 시공순서는 현장여건에 따라 조정할 수 있도록 하였다. 확폭터널 하반부의 경우 상반 보강영역과 하반 측벽부의 물성차이로 인해 하반 굴착시 응력이 집중되는 현상을 방지하여 측벽 안정성을 도모하고자 한 것으로 단면당 5본을 보강하여 측벽의 소성발생을 억제하도록 하였다. 본선 병렬터널과의 접속부 끝벽부에서는 상부에 강관다단을 시공하고 끝벽면에는 수평보강재와 그라우팅을 병행하여 막장 전방의 종방향 아치효과를 발생시킴으로써 상부 침하를 적극적으로 억제하도록 하였다.

6.터널안정해석

6.1 해석방법 및 검토사항

수치해석은 터널 구조물의 안정성 검토와 대전역사 및 경부선 철도와 같은 기존 시설물의 침하영향을 분석함에 목적을 두었다. 수치해석에 사용한 프로그램은 2차원 유한차분해석 프로그램인 FLAC과 3차원 유한요소해석 프로그램인 PENTAGON3D 이다. 수치해석은 굴착조건 및 시공과정을 반영하여 수행되었으며, 각 시공단계에 따른 변위 및 지보재의 안정성을 검토하였다.

6.2 지반 및 재료 특성치

수치해석에 적용된 설계정수는 문헌 및 경험식을 통해 산정한 값과 실내 및 현장시험을 통해 구한 값을 비교 분석하여 현장조건에 맞도록 표 3과 같이 적용하였다.

터널 안정해석시 보강후 증가된 지반 물성치의 정량적 산정을 위해 본 사례에서는 지반에 주입된 그라우팅 재료와 지반의 특성을 고려하여 적용치의 적정성을 검토후 적용하였다. 강도정수 중에서 내부마찰각의 개량은 고려하지 않고 다음의 그림과 같이 개량지반체의 압축강도 (10kgf/cm2)에 대한 점착력을 그라우팅지반의 점착력으로 적용하였다. 그라우팅 보강체의 변형특성은 한국지반공학회에서 수행된 기존 연구자료인 “FRP 보강 그라우팅 공법의 개발”에 의하면 보강된 지반 (풍화대 기준)의 변형계수는 50,000～120,000 tonf/m2을 나타낸다. 본 과업에서는 이 범위의 평균치인 85,000tonf/m2을 변형계수로 적용하였다. 이 값은 그라우팅 보강지반의 이론적인 상․하한치 범위에 있는 값으로 연암 변형계수의 0.4배, 풍화암의 1.8배 정도이므로 설계단계에서의 불확실성을 고려하면, 본 설계에 적용한 그라우팅 지반의 변형계수는 합리적인 값이라고 사료된다.

6.3 해석조건 및 모델링

해석영역은 터널 굴착시 지반의 응력 및 변위변화가 거의 없는 영역까지 확장하여 경계조건을 선정해야 하므로, 본 해석에서는 횡방향으로 3-arch반단면 폭의 4D이상, 하부는 4D이상, 상부는 지표면까지를 해석영역으로 설정하여 가능한 실제지형과 같은 지반상태가 되도록 하였다. 2차원 해석시 종방향 기둥간격의 효과를 반영할 수 없으므로, 이를 고려하기 위하여 기둥의 강성을 2차원 평면변형률 조건으로 환산하여 적용하였다. 해석 격자망 작성시 3-arch 터널부의 정밀한 모델링을 위해 격자망 접합 (grid attaching)기법을 도입하였다. 강관다단 그라우팅에 의한 지반 보강영역은 굴착면으로부터 반경 2.5m로 가정하였다. 경계조건으로 하부경계는 연직방향변위를 구속하였고, 좌우측 경계는 수평방향변위를 구속하였다. 그림 12는 2차원 유한차분해석모델을 표현한 것이다.

3차원 거동을 2차원 수치해석으로 표현하기 위해서 하중분배율을 적용하였다. 해석단계에서는 실제 시공과정을 고려하였으며, 굴착-연성 숏크리트-강성 숏크리트에 대한 하중분배율은 10%-10%-80%과 40%-10%- 50%을 각각 적용하였다. 터널의 시공과정을 고려한 해석순서는 위와 같다.

6.4 검토결과

해석결과 터널의 변위는 하중분배율 10-10-80 (%)를 적용한 경우 천단에서 최대 43mm, 측벽에서 최대 10.7mm발생하였고, 하중분배율이 40-10-50 (%)인 경우 천단에서 최대 46mm, 측벽에서 9.4mm가 발생하였다. 숏크리트 압축응력은 최대 82.8kgf/cm2가 발생하여 허용치 이내로 계산되었다. 또한 숏크리트의 전단응력 및 록볼트의 축력은 지보재가 부담하는 하중분배율이 높은 10-10-80 (%)를 적용한 경우 국부적으로 허용치를 초과하였으나, 하중분배율 40-10-50(%)를 적용한 경우 모두 하중허용치 이내의 값으로 만족하는 결과를 나타냈다.

변위 발생 양상을 보면, 시공단계별로 침하량이 점차 증가하여 전체적으로 터널굴착시 안정적인 양상을 나타내었다. 터널 변위의 증가량은 좌․우측터널 굴착시 변위가 가장 큰 값을 보이므로 이 단계에서의 시공시 충분한 안전관리가 필요할 것으로 판단된다. 터널 굴착으로 인해 발생한 지반의 소성영역을 살펴보면 강관다단 그라우팅으로 보강된 터널 상부에서는 소성영역이 발생하지 않았고, 측면하부와 바닥부에서 소성영역이 나타났다.  가장 많은 소성영역이 나타난 터널 측벽부는 소성 발생 영역이 록볼트의 근입장 이내이므로 터널의 안정성은 확보될 것으로 판단된다.

7.침하영향 해석

7.1 침하 관리기준

일반적으로 지상구조물의 안정성 검토는 최대침하량이나 부등침하각을 기준으로 하여 검토한다. 그러나 건물의 경우 최대침하량은 50mm 이내면 안정하다고 판단  (Skempton, Macdonald)되어있어 기준이 까다롭지 않고 대전역사 구조물과 같이 높이에 비하여 길이가 긴 구조물에서는 적합하지 않다. 따라서 대전역사에서는 부등침하각을 침하관리의 기준으로 설정하여 이를 부등침하량으로 환산하여 검토하였다. 또한 기존 경부선 철도선로는 보선 기준으로 적용하고 있는 절대침하량 7mm와 비교하여 안정성을 검토하였다. 본 사례에 적용한 침하 관리기준은 표 6과 같다.

7.2 해석조건 및 모델링

터널 건설로 인한 지반침하 영향을 검토하기 위한 3차원 유한요소 모델은 다음 그림과 같다. 3차원 모델을 통하여 터널 종방향 및 횡방향의 지표 침하량을 측정하도록 계획하였다. 대전 역사의 경우 기둥 및 벽체 설치간격을 고려하여 침하측정 위치를 선정하였다.

7.3 침하영향 검토

침하량 분석 결과 대전역사는 터널굴착에 의한 부등침하량이 종․횡방향 모두 허용부등침하량 이내로 예측되었으나, 경부선 철도선로의 경우 최대 절대침하량이 허용 절대침하량보다 크게 예측되어 선로보수 등의 유지관리가 필요한 것으로 판단된다.

8.결언

본 논문에서는 기존 역사하부를 통과하는 대단면 3- arch 터널의 계획단계에서 터널안정성 확보 및 침하억제를 최소화하기 위한 다양한 대책과 이를 검토하기 위한 2차원과 3차원 수치해석 사례를 소개하였다.

최근의 지하철 터널건설경향의 주된 특징으로는 단면은 대형화되는데 비하여 지반조건은 불량해지고 기존 구조물에 근접하는 사례가 높다. 이는 복잡한 도심의 교통 및 주거환경조건에서 가장 효과적인 공법이 터널공법이기 때문이다. 이에 따라 터널계획단계에서는 터널안정과 지반침하억제를 위한 보다 적극적인 대책이 요구되며, 이를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 해석기법이 요구된다.

따라서, 본 논문의 연구사례는 앞으로 이와 유사한 난공사계획시 좋은 참고자료가 될 것으로 기대된다. 지면관계상 본 논문에서는 3-arch 터널의 계측계획, 구조계획, 방배수 대책 등은 수록하지 못하였으나, 대단면 3- arch터널계획시에는 소개된 굴착과 지보 못지않게 많은 검토가 요구되는 중요사항이므로 다음 기회를 빌어 소개할 계획이다.