1. 서   론

최근들어 사회기반시설 확충의 필요성에 따라 제한된 지상환경을 보존하고, 국토의 효율적인 활용을 위해 지하철, 도로, 국철 및 고속철도 공사 등에 터널 건설이 급격히 증가되어 터널 구조물의 설계 및 시공, 유지관리 수준이 많이 향상되고 있다. 터널은 주로 지하수위 아래에 위치하는 경우가 많으며, 터널의 방수 및 배수처리가 터널구조물의 품질에 크게 영향을 미친다. 터널구조물의 유지관리시 터널 배수시설에 영향을 미치는 요소들은 배수구배의 단차발생, 지하수의 유입, 침전물질의 유입 등으로 이는 배수장애 및 배수기능을 저하시켜 구조물 변상 및 추가적인 유지관리 비용의 증대를 초래하고 있다.

본 논문에서는 서울지하철 터널구조물의 배수계획과 배수시설의 설계 및 시공기준이 유지관리시에도 적정한 지를 검토하기 위해 서울지하철 5호선 57.9 km에 설치된 60여개의 정거장 집수정의 지하수량에 대해 1997년부터 2003년까지 분기별로 조사된 터널 내 지하수 유입현황을 조사하고, 다양한 방법으로 지하수량을 비교분석하였다.

지하철 터널 내에서 지하수 유입량 분석내용으로는 지하철 5호선에 대한 전체 집수정의 지하수 유입량을 분석하였고, 지형별 및 하천 통과구간의 지하수 유입량을 분석하였으며, 하천 통과구간의 지하철 3호선, 4호선 및 5호선의 지하수 유입량을 비교 ․ 분석하여 지하철 집수정 및 터널구간 유입량의 설계 기준과 비교하여 향후 터널 설계 및 시공, 유지관리시에 도움이 되고자 연구를 수행하였다.

2. 서울지하철 5호선 구간 지하수 유입량 분석

2.1 전구간 지하수 유입량 분석

배수식 터널에서 지하수 유입수량 측정은 계획 설계 수량과 비교하여 유입량의 증감이 발생할 경우에 터널구조물 안전에 영향을 미치게 되므로 유지관리에서 매우 중요하다. 지하수 유입량이 급격히 증가할 경우 터널배면에 유로가 형성되고 배면공동이 생길 수가 있으며, 지상 상수도 및 하수관 파열 등으로 일시에 많은 양의 외수가 지층내로 유입될 경우 터널라이닝에 급격한 수압이 작용하여 변상이 발생될 수 있고, 지하수 유입량이 급격히 감소할 경우에는 터널 인접 굴착공사 구간으로 지하수가 이동되어 부등침하가 발생할 수가 있다. 그러므로 유지관리에서 지하수 유입량 관리는 터널구조물의 안전성 유지와 시설물 관리에서 매우 중요하다. 따라서, 터널내로 유입되는 지하수 유입량이 설계기준과 차이가 있는지를 검토하기 위하여 지하철 5호선 57.9 km 구간에 설치된 60개 집수정의 지하수 유입량을 1997년 1월부터 2003년 12월까지 분기별로 조사한 결과 표 1과 같이 지하철 내부로 유입되는 일일 지하수 유입량은 약 64,199 m3/day이고, 1 km당 분당 유입량은 0.77 m3/min/km로 집수정 설계기준인 1 km당 박스구조물의 2 m3/min/km 터널구조물은 3 m3/min/km에 비해 상당한 여유가 있는 것으로 나타났다. 계절별 유입량을 연평균 유입량과 비교해 본 결과 동절기인 1/4분기에는 약 4% 감소하고, 우기철인 3/4분기에는 약 5% 증가하였는데 우기에 지하수 유입량이 증가하는 이유는 강우시 환기구 및 출입구의 개구부를 통하여 빗물이 유입되어 일시적으로 증가할뿐 터널 상부지층을 따라 터널 내부로 유입되는 지하수 유입량은 큰 변화가 없는 것으로 판단된다.

2.2 지형별 지하수 유입량 분석

지하철 5호선에서 지형별로 지하수 유입량의 변화가 있는지를 분석하기 위하여 평지대, 하천지대, 고지대로 구분하여 조사 분석한 결과 그림 1에서와 같이 평지대는 평균 0.415 m3/min/km, 하천지대는 평균 2.758 m3/min/km, 고지대는 평균 0.873 m3/min/km로 하천 수계지역이 평지대보다 6.6배 많은 지하수가 유입되고 있으며, 5호선을 지형별로 구분하여 유입량을 분석한 결과 표 2와 같이 고지대인 군자~광나루구간에서 0.207 m3/min /km로 가장 적고, 광나루~천호 하저통과구간이 4.226 m3/min/km로 가장 많은 지하수가 유입되고 있는 것으로 나타났다.

터널 전 구간을 대상으로 지역별로 터널내부로 유입되는 지하수 유입량을 5년간 측정한 수량을 평균한 결과 표 3과 같이 1.38 m3/min/km로 설계기준 3 m3/min/km에 비해 상당한 여유가 있는 것으로 나타났다.

2.3 하천통과구간 지하수 유입량 분석

지하철 5호선을 통과하고 있는 한강 및 중소 7개 하천구간 7.937 km 터널내부로 1일 동안 유입되는 지하수 유입량은 표 3과 같이 평균 34,444 m3/day가 유입되고 있어 터널 전구간 31.29 km로 유입되는 지하수량 62,272 m3/day의 55.3%를 차지하고 있으므로 하천구간에서의 지하수 유입을 억제한다면 유지관리 비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 하천구간으로 유입되는 지하수의 양이 설계기준과 차이가 있는지를 검토한 결과 유입량이 3.01 m3/min/km로서 터널 설계기준 3.0 m3/min/km와 거의 같은 수준으로 유입되고 있으나, 터널평균 유입량 1.38 m3/min/km와 비교했을 때 하천구간에서는 2.18배의 지하수가 더 유입되고 있는 것으로 나타났다.

하천통과 구간 중 지하수 유입수량이 가장 많은 구간은 표 4에서와 같이 안양천 구간으로 평균 7.20 m3/min/km이고, 가장 적은 구간은 청계천 구간으로서 1.24 m3/min/km가 유입되고 있어 많은 차이가 있다.

지하수 유입량이 많은 순서로 보면 안양천 7.20 m3/min, 전농천 4.14 m3/min, 광나루 하저통과구간 3.45 m3/min 순이며, 지하수 유입수량이 많은 차이가 나는 이유로는 지질이나, 지형적인 문제보다는 차수그라우팅에 의한 문제가 더욱 큰 것으로 판단된다.

터널 상부토질, 터널깊이, 터널단면, 패턴이 비슷한 조건하에서 건설된 3개 하천의 지하수 유입량을 비교 분석한 결과 청계천 1.24 m3/min과 샛강 2.90 m3/min은 설계기준 이하지만, 안양천은 7.20 m3/min로 설계기준의 2.4배를 초과하고 있는 것으로 나타났다. 또한, 3개 하천에 적용된 지반보강 및 차수 그라우팅공법은 샛강과 청계천의 경우 SGR(Space Grouting Rocket system)공법, 안양천의 경우 RMG(Root Milk Grouting)공법으로 시공되었으나, 안양천의 경우는 모래 및 자갈층이 터널 인버트부까지 분포하고 터널 연장도 상대적으로 길기 때문에 지하수 유입량이 많았던 것으로 판단된다.

한강 통과구간 중 여의나루~마포간 하저터널 구간의 지하수 유입량이 2.02 m3/min로 적은 것은 비배수식 전주방수공법으로 시공되었기 때문이며, 광나루구간은 3.45 m3/min이지만, 표 5와 같이 '96~98년까지는 최대 일일 5.24 m3/min까지 유입되었으나, 손상된 중앙배수관 밀폐 후 0.49 m3/min으로 1/11로 감소되었다.

광나루구간이 지하수 유입량이 많았던 이유는 한강의 높은 수압이 작용하고 있는데도 일반터널과 같은 형식으로 중앙배수관을 부설함으로서 250 KPa의 높은 수압작용으로 많은 지하수가 유입되면서 배수관을 손상시켰기 때문이었다. 광나루 하저통과 구간 중 한강구간은 파쇄대층과 단층대가 터널 기반암까지 깊게 발달되어 있어 터널을 설치할 경우에는 많은 지하수가 유입될 것에 대비하여 가물막이 개착공법으로 건설하였고, 좌, 우 둔치는 배수식 터널공법으로 건설하였다. 광나루방향인 광나루~한강 터널 540 m구간은 배수구배가 한강하저 박스구조물에 설치된 집수정으로 형성되어 있어 원활한 배수처리 위하여 터널 중앙배수관을 박스구조물 하부를 통과시켜 집수정까지 연결 시공하였다.

개통 이후 1998년 3월 집수정내부에 다량의 모래 및 자갈이 유입된 것을 발견하고 배수관내부를 조사한 결과 개착구간 박스구조물 하부에 부설된 배수관 이음부에서 다량의 지하수와 함께 모래 및 자갈이 유입되고 있으며, 그 원인은 박스구조물의 지층이 단층파쇄대로 형성되어 한강수위 이하 25 m 침투수두에 의한 높은 침투수압 250 KPa이 배수관에 직접 작용하여 배수관 이음부를 손상시켰고, 그 배수관 이음부를 통하여 다량의 지하수와 함께 모래 및 자갈이 집수정으로 유입되고 있었다.

만약 이로 인하여 박스구조물 배면에 공동이 발생될 경우 구조물 안전성이 우려되어 개착 박스구간에 부설된 연장 65 m배수관을 밀폐시킨 결과 표 5와 같이 1998년 12월에 유입량 5.24 m3/min이 유입되던 지하수가 보수공사 완료 후인 1999년 6월 0.49 m3/min만이 유입되었다.

따라서, 배수관이 부설되는 지층의 특성을 고려하지 않고, 일반구간과 동일한 방법으로 배수관을 부설함으로서 발생된 현상이므로 지하수가 과다하게 유입되는 구간은 시공단계에서 차수 및 지수 그라우팅 시행과 터널 배수시스템에서 드레인 보드 등을 적용하여 유지관리에 대비하는 대책 검토가 필요하다.

3. 서울지하철 호선별 하천통과구간 지하수 유입량 분석

하천구간의 터널이 심도별로 차이가 있는지를 알아보기 위하여 지하철 3, 4호선 5개 하천구간과 지하철 5호선 8개 하천구간의 지하수 유입량을 표 6 및 표 7과 같이 조사하였다.

지하철 3, 4호선의 지하수 유입량은 5개 하천 평균 1.55 m3/min이고, 5호선은 8개 하천 평균 2.99 m3/min으로 5호선 하천통과구간이 3, 4호선에 비해 1.93배 더 많은 지하수가 유입되고 있는데, 그 원인을 분석해 보면 3, 4호선은 5개 하천 중 4개 하천을 비배수식 방수공법으로 시공하였고, 5호선은 8개 하천 중 1개 하천만 비배수식 방수공법으로 건설되었기 때문이다.

터널 심도별 지하수 유입량을 비교해 보면, 지하철 3, 4호선의 터널 평균심도는 16 m이고, 지하철 5호선은 터널 평균심도가 24.6 m로 5호선이 8.6 m 더 깊지만 3호선 청계천구간 비배수식은 2.41 m3/min과 5호선 청계천구간 배수식은 2.34 m3/min이 비슷한 유입량을 보이고 있으므로 심도에 의한 영향은 거의 없는 것으로 판단된다.

4. 결 론

지하철 5호선에 설치된 60개 집수정의 지하수 유입량을 1997년부터 2003년 말까지 분기별로 조사한 결과 지하철 내부로 유입되는 지하수 유입량은 약 64,339 m3/day이고, 1 km당 분당 유입량은 0.77 m3/min/km로 집수정 설계기준 박스구조물 2 m3/min/km, 터널구조물 3 m3/min/km을 고려했을 때 상당한 여유가 있는 것으로 나타났으며, 계절별 유입량을 연평균 유입량과 비교해 본 결과 동절기인 1/4분기에는 약 4% 감소하고, 우기철인 3/4분기에는 약 5% 증가하였으나, 이는 강우시 환기구 및 출입구의 개구부를 통하여 빗물이 유입되어 일시적으로 증가할 뿐 터널 상부지층을 따라 터널 내부로 유입되는 지하수 유입량은 큰 변화가 없는 것으로 판단된다.

지하철 5호선을 통과하고 있는 한강 및 중소 7개 하천 7.937 km구간 터널내부로 유입되는 지하수 유입량은 평균 34,444 m3/day가 유입되고 있어 터널 전구간 31.29 km로 유입되는 지하수량 62,272 m3/day의 55.3%를 차지하고 있으므로 하천구간에서 지하수 유입을 억제한다면 유지관리 비용이 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

한강 통과구간 중 여의나루~마포간 하저터널구간의 지하수 유입량이 2.02 m3/min로 적은 것은 비배수식 전주방수공법으로 시공되었기 때문이며, 광나루구간은 평균 3.45 m3/min이지만 '96~98년까지는 일일 최대 5.24 m3/min까지 유입되었으나, 손상된 중앙배수관 밀폐 후 0.49 m3/min으로 1/11로 감소되었다. 광나루구간이 지하수 유입량이 많았던 이유는 한강의 높은 수압이 작용하고 있는데도 일반터널과 같은 형식으로 중앙배수관을 부설함으로서 250 kpa의 높은 수압작용으로 많은 지하수가 유입되면서 배수관을 손상시켰기 때문이었다.

결국 터널 중앙배수관 부설 시 지층과 지형적인 조건에 대한 특성을 고려한 배수관부설과 적합한 그라우팅공법을 선정하여 시공한다면 지하수 유입은 크게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

지하철 3, 4호선의 지하수 유입량은 5개 하천 평균 1.55 m3/min이고, 5호선은 8개 하천 평균 2.99 m3/min으로 5호선 하천통과구간이 3, 4호선에 비해 1.93배 더 많은 지하수가 유입되고 있는데, 그 원인은 3, 4호선은 5개 하천 중 4개 하천을 비배수식방수공법으로 시공하였고, 5호선은 8개 하천 중 1개 하천만 비배수식 방수공법으로 건설되었기 때문이다.