1. 서론

본 논문은 서울지하철 하천통과구간의 지하수유입량을 비교 분석하여 배수시설의 설계 및 시공 기준이 유지관리 시에도 적정한 지를 검토하기 위해 서울지하철 5호선 52km 에 설치된 60여개의 정거장 및 본선 집수정의 지하수량에 대해 최근 6년간 각 분기별로 조사된 터널내 지하수 유입현황을 조사하여 지하철 하천통과구간의 지하수 유입량을 분석하였고, 하천통과구간의 지하철 3,4,5호선의 지하수 유입량을 비교 분석하여 지하철 집수정 및 터널구간 유입량의 설계 기준과 비교하여 향후 터널의 설계 및 시공, 유지관리시에 도움이 되고자 연구를 수행하였다.

또한, 도심지 지하에 건설되는 지하철 구조물은 대부분 지하수위 밑에 위치하기 때문에 배수처리와 구조물의 방수대책이 가장 중요한 요소라 할 수 있다. 따라서 1996년 개통되어 운영중인 서울지하철 5호선 터널구간을 대상으로 하여 배수시설 내부에 퇴적되어 있는 침전물의 발생원인과 성분을 조사 분석한 결과 붉은색 침전물이 유입된 지역은 토사터널로 건설된 영등포～여의나루구간과 마장～군자구간에서 주로 발생되었으나, 그 외에도 풍화암층이 터널상부까지 깊게 분포되어 있는 구간과 하천통과구간에서도 붉은색 침전물이 터널내부로 유입되었다. 백색 침전물이 유입된 지역은 고지대인 화곡～신정, 마포～서대문, 군자～광나루 구간의 터널입구에서 주로 발생되었다. 백태는 지하철 터널 전구간에서 발생되었으며, 검은색 침전물은 배수가 정체되는 정거장 주변에서 주로 발생되었다.

이와 같이 지하철 하천통과구간의 지하수 유입량을 비교 분석하고, 터널 배수시설로 유입된 다양한 종류의 침전물의 발생원인 및 특징과 성분분석을 통하여 터널 건설시 배수시설의 중요성을 인식시켜 예방적인 터널구조물 유지관리에 활용하고자 한다.

2. 지하철 터널 하천통과구간의 지하수 유입량 분석

2.1 지하철5호선 하천통과구간의 지하수 유입량 분석

지하철 5호선을 통과하고 있는 한강 및 중소 7개 하천통과 터널구간 7.93km 내부로 1일 동안 유입되는 지하수 유입량은 표 1과 같이 평균 34,444m3/day가 유입되고 있어 터널 전구간 31.29km로 유입되는 지하수량 62,272m3/day의 55.3%를 차지하고 있으므로 하천통과 터널구간에서 지하수 유입을 억제한다면 유지관리 비용이 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 하천통과 터널구간으로 유입되는 지하수의 양이 설계기준과 어떠한 차이가 있는지를 검토한 결과 유입량이 3.01m3/min/km로서 터널 설계기준 3.00m3/min/km와 거의 같은 수준으로 유입되고 있으나, 터널평균 유입량 1.38m3/min/km와 비교했을 때 하천구간에서는 2.18배의 지하수가 더 유입되고 있는 것으로 나타났다.

하천통과 구간중 지하수 유입수량이 가장 많은 구간은 표 2에서와 같이 안양천구간으로 평균 7.20m3/min/km이고, 가장 적은 구간은 청계천구간으로서 1.24m3/min/ km가 유입되고 있어 많은 차이가 나타났다.

지하수 유입량이 많은 순서로 보면 안양천 7.20m3/ min, 전농천 4.14m3/min, 광나루 한강통과구간 3.45m3/ min 순이며, 지하수 유입수량이 많은 차이가 나는 이유로는 표 2에서와 같이 지질 특성이나 지형적인 문제보다는 터널주변의 보강 및 차수 그라우팅의 사용재료와 적용 공법이 영향을 미치는 것으로 판단되었다.

터널 상부 토질, 터널깊이, 터널단면, 패턴이 비슷한 조건하에서 건설된 3개 하천의 지하수 유입량을 비교 분석한 결과 청계천 1.24m3/min과 한강샛강 2.90m3/min은 설계기준 이하지만, 안양천은 7.20m3/min로 설계기준의 2.4배를 초과하고 있는 것으로 나타났다.

또한, 3개 하천에 적용된 터널주변의 지반보강 및 차수 그라우팅공법은 안양천의 경우 RMG (Root Milk Gro-uting)공법, 여의도샛강과 청계천의 경우 SGR (Space Grouting Rocket system)공법으로 시공된 것으로 조사되었다.

2.2 지하철 3,4,5호선 하천통과구간의 지하수유입량 분석

하천구간의 터널이 심도별로 어떠한 차이가 있는지를 알아보기 위하여 지하철 3,4호선 5개 하천구간과 지하철5호선 8개 하천구간의 지하수 유입량을 표 3, 표 4와 같이 조사하였다.

지하철 3,4호선의 지하수 유입량은 5개하천 평균 1.55 m3/min이고, 지하철5호선은 8개하천 평균 2.99m3/min으로 지하철 5호선 하천통과구간이 지하철 3,4호선에 비해 1.93배 더 많은 지하수가 유입되고 있는 것으로 나타났다.

그 원인을 분석해 보면 지하철 3,4호선은 5개하천 중 4개 하천을 비배수식 방수공법으로 시공하였고, 지하철 5호선은 8개 하천 중 1개하천만 비배수식 방수공법으로 건설되었기 때문으로 판단된다.

터널심도별 지하수유입량을 비교해 보면, 지하철 3,4호선의 터널 평균심도는 16m이고, 지하철 5호선은 터널 평균심도가 24.6m로 지하철5호선이 8.6m 더 깊지만 지하철 3호선 청계천구간 비배수식은 2.41m3/min과 지하철5호선 청계천구간 배수식은 2.34m3/min이 비슷한 유입량을 보이고 있다.

3. 지하철터널에 유입된 침전물의 발생원인 및 성분분석

3.1 지하철터널에 유입된 침전물의 발생원인

가. 붉은색 침전물

붉은색 침전물은 주로 영등포지역과 장한평지역의 터널에서 주로 발생되었으며, 이 지역은 하천통과 및 하천에 인접한 지역으로 풍화 잔류토층이 터널 단면까지 깊게 분포되어 있고, 지하수량이 풍부하여 지하수와 함께 세립분이 이탈되어 지하수와 함께 흘러가기도 하지만 배수시설에 퇴적되어 배수장애를 일으키고 있다. 이와 같은 현상은 토사터널로 건설된 구간에서 발생되고 있으며, 기타지역에서도 터널과 개착 박스구조물 연결부위의 방수작업이 미흡한 구간에서는 되메우기 토사 및 매몰강재의 부식된 녹물이 유입되기도 한다. 터널과 박스구조물 연결부위로 침전물이 많이 유입되는 이유는 공사중 터널 갱구입구부 안전성을 확보하기 위해 그림 1과 같이 어스앙카, 띠장, H-파일, 록볼트, 어스앙카 등을 설치하였으나, 공사완료 후 되메우기시 이러한 가시설 제거가 불가능하여 지중에 매몰하였기 때문에 개착 박스구조물과 터널입구 사이의 되메우기시 완벽한 다짐이 곤란했을 것이므로 투수계수가 상대적으로 커서 외부 지하수, 지표수, 생활하수 등과 같은 유입수와 함께 세립분이 터널 내부로 그림 2와 같이 유입되고 있다.

침전물의 성분을 건조시켜 육안 관찰한 결과 터널과 개착 박스구조물이 연결된 터널입구에서 유입되는 침전물을 건조시켜 본 결과 이물질이 많이 함유되어 있었으며, 자석을 접근시킨 결과 상당량의 철성분이 침전물 내에 포함되어 있었고, 배수확인구로 유입된 침전물질은 부드럽고 가벼운 고운 분말이었다.

나. 흰색 침전물

흰색 침전물이 유입되고 있는 지역은 고지대 및 구릉지역에서 주로 발생되고 있으며, 기타 구간에서는 터널구조물과 개착 박스구조물 접합부를 통하여 흰색 침전물이 유입되고 있다. 설계도면 및 감리보고서를 검토해 본 결과 고지대에서는 단층파쇄대 지층의 지반보강 및 차수조치를 위하여 시행한 그라우트 주입재가 지하수와 함께 유입되고 있고, 터널과 개착 박스구조물이 연결되는 접속부는 터널입구 보강을 위하여 시행한 어스앙카, 록볼트, 차수 그라우팅 등에 사용된 주입재 일부가 지층속에 존재하다가 용탈작용에 의해 지하수와 함께 터널내부로 유입되고 있다.

터널 내부로 유입된 흰색 침전물은 터널 중앙 배수관 내부 및 측벽 배수확인구 내부에 침전되어 배수장애 및 배수기능을 저하시키기도 하고, 건조 되면 전동차 바람에 날려 터널을 오염시키는데 조사결과 시멘트의 주성분인 산화칼슘(CaO)이 많이 포함하고 있었다. 흰색 침전물이 배수로에 흐르고 있는 현상은 그림 3과 같다.

다. 백 태

백태의 성분은 콘크리트 중성화 과정에서 발생되는 백색의 결정체이며, CaO+H2O→Ca(OH2)+CO2→CaCO3+H2O 산화칼슘이 물과 접촉하면 수산화칼슘으로 변화하고, 대기 중 탄산가스와 결합하면 탄산칼슘으로 변화되는 현상이다. 또한 그 형태는 물과 유리와 같은 결정체이므로 초기에는 지하수 등 작은 충격에도 쉽게 파괴되어 분해되지만 시간이 경과되면 동굴의 석순이 자라듯이 백태는 배수관 내부에 점점 쌓여 그림 4와 같이 완전히 막히게 되는데 향후 약 3년～10년 후에 측벽 배수관이 막히게 될 것으로 예상된다.

백태 발생은 지하수 유입량이 많고, 배수흐름이 양호한 구간에서는 발견되지 않고, 지하수 유입량이 적은 지역에서 발생되고 있다. 지하수가 많이 유입되는 지역에서 백태가 쌓이지 않는 것은 콘크리트 중성화작용에서 발생되는 백색 결정체는 지하수에 의해 흘러가기 때문에 퇴적되지 않고 있지만 지하수 유입량이 미소한 구간에서는 중성화 작용에 의해 발생된 백색 결정체 즉, 탄산칼슘이 측벽 종방향 배수관 (ø100), 횡배수관 (ø150), 배수재 (부직포), 필터콘크리트에 쌓이게 된다. 침전된 탄산칼슘은 배수기능을 저하시키고 이로 인하여 터널 벽체 및 아치에서 누수가 발생되기도 하고, 도상 배수범람, 터널 라이닝에 잔류수압이 작용하게 되어 터널의 안전에 중요한 문제가 되므로 철저한 배수관리가 요구되고 있다.

라. 검은색 침전물

검은색 침전물이 발생되는 지역은 역사 시종점 근접부 터널에서 발생되고 있으며, 이는 역사 청소용수 등 이물질이 터널내 배수시설로 유입되어 흰색침전물 또는 붉은색 침전물과 혼합된 침전물이다. 검은색 침전물이 발생하게 되는 원인은 터널 중앙배수관이 정거장 개착구조물에서 차단되어 월류되고 있는 구간에서 주로 발생되며, 그림 5와 같이 유입되고 있다.

3.2 지하철터널에 유입된 침전물의 성분분석

가. 화학 성분조사

흰색 및 붉은색 고형 침전물과 흙시료 그리고 액체상태의 시료 및 지하수에  대해서 실시한 화학적 성분분석 결과는 각각의 시료에 대한 전반적인 성분조사에 대한 결과와 또한, 고형물을 배제하고 액체상태로 만들어 시험한 결과이다. 특이한 사항은 흰색 침전물이 다른 시료에 비해 상대적으로 경도가 매우 작고 PH10.9로 강알카리성을 나타내었다. 고형물에 대한 시험결과로부터 강동～길동구간 및 마장～장한평 구간의 붉은색 침전물에서 상당히 많은 철성분이 513.8mg/ℓ 검출되었으나, 터널내 집수정에서 채취한 지하수의 철성분은 0.71mg/ℓ로 아주 적게 검출되었다. 붉은색 침전물 및 흰색 침전물에 대한 X선 회절분석시험 결과와 서울지역 풍화토에 대한 시험치를 비교한 결과 붉은색 침전물에서 철성분의 함량이 상당히 큰 것으로 나타났고, 규소 및 알루미늄 성분의 함량은 상대적으로 작게 나타났다. 흰색 침전물은 칼슘성분의 함량이 다른 시료에 비해 크게 나타났다.

나. 공학적 성분조사

붉은색 침전물 비중은 2.06으로 흙시료 2.70에 비해 아주 작게 나타났는데 이는 비록 침전물이 상당히 많은 철성분을 함유하고 있었으나, 대부분의 철성분이 부식에 의해 부피가 팽창되었기 때문에 낮은 비중값을 보인 것으로 판단된다. 평균입경은 0.04mm로 비중과 마찬가지로 흙시료에 비해 상당히 작은 값을 보였는데 이는 만일 침전물이 터널주변 지층을 통해 유입되었을 경우 지층의 공극이 작기 때문에 세립분만이 물과 함께 이동되어 터널내부로 유입될 수 있기 때문이다. 이때 지층에 존재하고 있는 토사 세립분도 함께 이동되어 터널내부로 유입되었을 가능성도 있다. 침전물에는 토사뿐만 아니라 여러 가지 물질이 혼합되어 있는 것을 예측할 수 있었다. 또한, 특이한 사항으로 시험을 위해 시료를 건조시켜 본 결과 고형물이 크게 수축하는 현상을 발견하였으며 이로부터 많은 유기물질이 침전물 내에 존재하는 것을 알 수 있었다.

다. 시험결과 성분분석

배수 확인공에 퇴적되어 쌓여있는 흰색 침전물을 채취하여 화학시험연구원에 시험 의뢰하여 성분분석을 하였으며, 그 결과는 표 5와 같다. 위 시험결과를 검토한 결과 산화칼슘 성분이 많이 함유하고 있으므로 시멘트성분으로 판단되며, 시멘트의 원료인 석회석, 규석, 산화철 원료, 석고 등 중에서도 석회석 성분과 거의 일치하고 있음을 알 수 있으며, 분석결과는 표 6과 같다.

따라서 이 침전물의 유입량으로 판단해보면 숏크리트 및 콘크리트 등이 물과 접촉하여 발생된 백화현상이 아니고 지반 차수그라우트 주입재가 이탈되어 퇴적 된 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 최근 6년간 분기별로 서울지하철 5호선에 설치된 60여개 집수정의 지하수 유입량을 조사 분석한 결론은 다음과 같다.

1.지하철 5호선 터널 전 구간을 대상으로 지역별로 터널내부로 유입되는 지하수유입량을 평균한 결과 1.38m3/ min/km로 설계기준 3m3/min/km에 비해 상당한 여유가 있는 것으로 나타났다.

2.지하철 5호선을 통과하고 있는 한강 및 중소 7개 하천 7.93km구간 터널내부로 유입되는 지하수유입량은 평균 34,444m3/day가 유입되고 있어 터널 전구간 31.29km로 유입되는 지하수량 62,272m3/day의 55.3%를 차지하고 있으므로 하천구간에서 지하수 유입을 억제한다면 유지관리 비용이 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

3.하천통과 구간중 지하수유입량이 가장 많은 구간은 안양천구간으로 평균 1km당 7.20m3/min이고, 가장적은 구간은 청계천구간으로서 1.24m3/min가 유입되고 있어 많은 차이를 보이고 있다. 지하수 유입수량이 많은 순서로 보면 안양천 7.20m3/min, 전농천 4.14m3/ min, 광나루 한강하저통과구간 3.45m3/min 순이며, 지하수유입량이 많은 차이가 나는 이유로는 지질 특성이나 지형적인 문제보다는 터널주변의 보강 및 차수 그라우팅의 사용재료와 적용 공법이 영향을 미치는 것으로 판단되었다.

 또한, 1996년 개통되어 운영중인 서울지하철5호선 터널구간을 대상으로 배수시설 내부에 퇴적되어 있는 침전물의 발생원인 및 성분을 조사 분석한 결론은 다음과 같다.

1. 흰색 침전물에서 가장 많이 발견된 성분은 산화칼슘으로 건설당시 지반보강을 위하여 시행한 그라우팅 주입재인 시멘트가 지하수와 함께 터널내부로 유입된 침전물로서 터널의 안전성에는 영향이 없을 것으로 판단된다.

2. 붉은색 침전물은 성분 조사결과 철성분이 가장 많이 포함되어 있었는데 이는 시공시 사용되었던 철재 가시설과 지역 특성상, 철성분을 많이 포함하고 있는 지하수에 원인이 있는 것으로 판단된다. 붉은색 침전물 발생지역은 충적토 및 풍화토 지반으로 지하수위가 높고 다량의 지하수가 터널내부로 유입되어 장기적으로 양수작업을 할 경우 터널배면 주변에 유로형성 또는 공동형성으로 터널의 안정성에 영향을 미칠 우려가 있으므로 지속적인 관찰 후 토사 및 침전물 또는 지하수 유입량이 증가될 경우에는 그라우팅 등으로 보강하여 지하수 유입을 억제시켜야 할 것이다.

3. 개착구간 흙막이 공법으로 사용하였던 강재를 지중에 매몰시키는 것은 향후 지하수오염 등의 문제가 발생되므로 가급적 지양하고, 터널과 개착 박스구조물 연결부위는 터널 내부로 이물질 및 토사가 유입되지 않도록 쏘일시멘트 등으로 되메우기 보강하고, 측벽배수관 청소가 용이하게 배수관 확대 및 청소구를 추가 설치한다면 배수기능유지 및 터널 안정에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.