Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 30 November 2021. 403-421
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2021.23.6.403

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 도심지 터널 지하수 관리 현황

  •   2.1 국내 사례

  •   2.2 해외사례

  • 3. 도심지 대심도 터널 지하수 변동 제어 방안

  •   3.1 지하수 관리기준 설정 방안

  • 4. 터널 내 유입량 관리를 통한 지하수 변동 제어방안

  •   4.1 다중수리경계 조건의 지하수위 - 터널 내 유입량 관계 분석

  • 5. 토론 및 고찰

1. 서 론

터널기술은 1960년대에 강지보를 이용한 재래식 공법의 적용으로 산업화되기 시작하여, 1970년대 후반에 NATM으로 명명된 관용공법이 발표되면서 본격적으로 지하공간 개발에 적용되어 왔다(Tonon, 2009). 최근 들어서는 미국 보스턴의 Big Dig, 프랑스 파리의 A86프로젝트 등 대도시들의 밀집도심 환경문제를 해결하기 위한 지하공간 개발에 터널공법이 적용되는 경향이 우세하다. 국내에서도 해외사례를 벤치마킹하여 지상의 교통수요를 지하로 유도함으로써 밀집된 도심환경을 개선하려는 시도로서, 서부간선지하도로와 제물포터널을 건설 중에 있으며, 수도권 광역급행철도와 같은 광역교통망 개선계획과 도시계획이 연계되는 강남권 광역복합환승센터 용역이 국제공모(Seoul Metropolitan Government, 2017)되는 등 터널공법을 적용하여 고밀도 도심의 생활환경을 개선하려는 노력이 이어지고 있다.

대심도 광역철도 및 대심도 지하도로는 Fig. 1에서 알 수 있는 바와 같이, 도심 지하 지장물과의 간섭 배제, 발파 등 환경공해 최소화 및 공사기간 단축 등의 목표 달성을 위하여 기존 도심지 터널보다 더 깊은 심도에 더 긴 연장의 터널을 계획하게 된다. 그에 따라, 대심도 터널 응력-변형거동과 그에 연계된 지하수 변동 등 지하철 터널보다 더 불리한 수리역학적 조건이 형성되어 있어, 기존 도심지 터널의 경험적 규칙을 적용하는 경우, 건설 및 운영 중 발생하는 문제에 적절히 대응하기 어렵다. 즉, 심층 풍화대 또는 대심도 단층파쇄대를 통과하게 되는 경우, 이전 경험보다 수두차가 큰 지하수 변동과 그와 연계되는 대변형 터널 거동으로 인한 지반침하 등 지반관련 재해가 발생할 수 있기 때문에 기존 도심지 터널의 경험적 대응수단을 보완하기 위해 적극적인 대심도 터널거동 제어방안의 개발이 필요하다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F1.jpg
Fig. 1.

Planning of urban tunneling at depths in Korea

도심 지하공간 개발사업들은 불가피하게 대심도 지반을 굴착하고 지하구조물을 신설하는 개발행위를 유발하게 되므로 경험적 기술인 기존의 관용터널공법과 그에 따른 완전배수형식을 적용하는 경우, 최근 사회적 이슈가 되고 있는 지하수 변동으로 인한 지반 재해 등 도심 환경 및 안전 문제가 발생할 수 있다. 최근 국제적으로 도심지에 건설되는 터널 대부분이 TBM공법을 적용하고 있어, 관용터널공법을 적용하여 지하수 변동으로 인해 문제가 발생한 사례를 찾기 어려우나, 2000년대 초반, 노르웨이 등 북유럽 국가에서 관용터널공법에 의한 도심지 터널 건설 중 발생한 지하수 문제를 해결하기 위한 노력이 진행된 바 있다(Davik and Andersson, 2001). 이에 반해, 국내 도심지 터널을 대표하는 지하철 터널은 1970년대부터 건설되어온 이래, TBM공법이 적용된 하저통과 구간 이외 대부분의 터널구간에 완전배수형식을 적용하고 있어(Woo, 2009; Statistics Korea, 2014), 오랜 기간에 걸쳐 지하철 주변 지반의 지하수위가 저하되어 왔으며, 최근 빈번한 지반재해 현상과 관련이 있는 것으로 알려져 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015; Seoul Metropolitan Government, 2016b). 따라서 도심지 터널 건설계획에 있어 도심주민의 안전확보와 도심 지하수 환경 보전을 위해 지하수 변동영향을 제어하는 터널 배수개념으로의 전환이 요구된다. 상기한 바와 같이, 완전배수형식의 기존 관용터널공법을 적용한 도심지 대심도 터널건설의 부정적 영향을 예방하기 위해서는 지하수 변동을 제어하는 방안의 도입이 필요하다. 그러한 경우, 지하수 변동과 터널 수리거동의 관계를 분석하고, 이를 바탕으로 한 지하수 관리기준 설정방향이 정립되어야 한다. 또한, 설정된 지하수 관리기준에 부합하기 위한 지하수 변동 제어방안을 개발할 필요가 있다.

터널 내 지하수 유입과 관련한 연구는 Goodman et al. (1965)이 단순해 이론을 제시한 이래로 많은 연구자들의 관심으로 진화되어 왔다. 이론해를 수정하여 실제 유입량을 과다평가 하는 점을 개선하려는 노력이 Karlsrud (2001), Lei (1999)El Tani (1999)등에 의해 수행된 바 있으며, 최근에는 Moon and Fernandez (2010)Su et al. (2017) 이 터널 내 유입량 발생과 함께 진행되는 초기 지하수위 저하가 유입량 감소에 미치는 영향을 반영하려고 시도하였다. Shin et al. (2005)은 숏크리트와 배수시스템을 모사하기 위한 복합요소 모델링 기법과 터널의 3차원적 거동을 모사하기 위한 시간제어법을 도입하여 비선형 투수특성을 고려한 응력-지하수 연계해석을 수행하고, 배수시스템 열화가 터널의 수리역학거동에 미치는 영향을 분석하여 라이닝에 작용하는 압력이 상대투수성(kl/ks)에 의해 정규화된다는 점을 제시하였다. Shin (2010)은 상기한 유입량-수압 관계와 상대투수성 정규화 특성을 이용하여 운영 중인 터널의 유량 측정결과로부터 라이닝 작용 수압을 산정할 수 있는 논리적 구조를 제시하였고, Joo and Shin (2014)은 라이닝이 설치된 제한유입조건에 대하여 P-Q 상호관계를 이론적으로 정립하였으나, 그라우팅이 추가된 다층수리경계 터널의 수리거동 관련 이론적 개념은 제시하지 않았다.

그라우팅이 적용되어 다층의 수리경계가 형성된 터널의 지하수 유입량을 산정하는 이론해가 다양한 방법으로 제안된 바 있으며(Fernandez and Alvarez, 1994; Li et al., 2018), Xu et al. (2019)은 유입량 및 수압에 영향을 미치는 그라우팅 관련 매개변수 분석을 수행하였다. 한편, Shin et al. (2005)은 지반과 라이닝으로 구성된 이중 수리경계 조건에서 지반-라이닝 상대투수성이 터널 내 유입량과 라이닝 작용수압 크기에 영향을 미치는 단일변수로 제시하였다. 그러나 그라우팅과 터널 라이닝이 설치된 다중수리경계 터널에서 유입량이 제어되는 경우, 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계를 분석한 연구는 아직 제시된 바 없다.

본 연구에서는 국내 터널의 지하수 관련 현황과 현행 지하수 관리기준을 분석하여 해외사례와 비교검토한 후, 지하수 변동 제어를 위한 터널 배수시스템 계획 시 필요한 터널 지하수 관리기준 설정방안을 제안하고자 한다. 또한, 최근 지하수 변동 제어형 터널 배수시스템을 계획했던 국내 도심지 대심도 터널 설계사례를 고려하여 지하수위 변동과 터널 수리거동 관계를 분석하였다.

2. 도심지 터널 지하수 관리 현황

터널건설로 인한 지하수 변동 문제는 터널 배수형식에 큰 영향을 받는데, 관용터널공법을 적용하는 경우, 시공 중에는 터널 내 유입량 최소화를 시도할 수는 있으나 배수형 터널이 되는 것이 불가피하며 운영 중에는 콘크리트 라이닝 배수구조에 따라 배수형 또는 비배수형을 선택할 수 있다. 반면, 쉴드TBM을 적용하는 경우, 시공 중 및 운영 중 비배수형 터널을 유지할 수 있다(Shin, 2020).

2.1 국내 사례

국내 도심지 터널을 대표하는 지하철 터널은 지하철 2호선에서 처음으로 관용터널공법을 적용한 이래, 2호선~5호선 전체 터널연장의 92% 구간이 배수형 터널로 계획 및 운영되고 있는데(Woo, 2009; Statistics Korea, 2014), 전술한 바와 같은 지하철 주변 지하수 변동 및 그에 따른 지반재해가 지하철 터널의 배수형식에 관계되어 있음을 예상할 수 있다.

Table 1에서 알 수 있는 바와 같이, 전체 연장의 95% 이상이 배수형 터널로 운영 중인 지하철 5호선 터널구간의 지하수 유입량은 1.38 m3/min/km으로 관측되었다. 터널구간을 일반구간과 하저통과구간으로 구분하였을 때, 일반구간은 광역지질측면에서 충적층에 해당하는 평지대의 터널 내 지하수 유입량이 0.415 m3/min/km, 암반층인 고지대에서는 0.873 m3/min/km이며 평균 0.83 m3/min/km이 유입되고 있는 것으로 분석되었다(Fernandez and Alvarez, 1994). 도심이 형성되어 있는 평지대 충적층에서 터널 내 지하수 유입량이 더 적게 관측되는 것은 배수형 터널로 운영되는 지하철 주변의 지하수위 저하량이 많다는 기존 연구결과(ETRL, 2014)와 부합되는 점이다. 하저구간에서는 평균 3.01 m3/min/km로 일반구간에 비해 3배 이상 많은 지하수가 유입되고 있었다. 배수형식에 따른 지하수 유입량은 배수형 터널의 유입량이 비배수형 터널에 비해 1.6배 많은 것으로 나타났다. 다만, 비배수형 터널구간의 유입량은 공사 중 터널 굴착 전주면 차수그라우팅을 시행한 후, 완공후에는 배수형 터널로 운영 중인 경우로서 콘크리트 라이닝 배수구조를 포함하여 완전히 비배수형식을 적용하는 경우에 비해 유입량이 과다측정된 사례로 판단할 수 있다.

Table 1.

Inflow of tunnel in subway Line 5 (Woo, 2009)

Sector Drainage Length (km) Inflow rate (m3/day) Inflow per unit length (m3/min/km)
SUM - 31.293 62,272 1.38
General Pervious 23.356 27,828 0.83
Under water Pervious 6.391 29,937 3.25
Impervious 1.546 4,507 2.02

2.2 해외사례

국제적으로는 최근 들어 도심지에 건설되는 터널 대부분이 Shield TBM공법을 적용한 비배수터널형식을 채택하고 있어, 국내와 같이 관용터널공법에 의한 터널 건설과 그에 따른 지하수 변동 문제에 대한 기술적 관심이 많지 않다. 그러나 NATM 출현의 주역이었던 북유럽 국가에서는 비교적 최근까지도 관용터널공법을 이용한 도심지 터널 건설을 시도해 왔으며, 지하수 변동을 제어하기 위한 기술이 발전되어 왔다(Hard Rock Tunnel Grouting Practice in Finland, Sweden, and Norway, 2003).

노르웨이의 도로청에서 발간한 도로터널에 대한 규정에는 방수방식의 구체적인 내용은 수록되지 않았으나, 지하수배출에 의한 손상이 예상되는 지역이나 해저터널인 경우에 대해서는 그라우팅을 실시하여 지하수량이 예상되는 허용 누수량 이하로 조치하도록 규정하고 있다. 특히, 사전에 충분한 조사를 실시하여 지하수 유입의 형태를 예측하고 고효율 그라우팅으로 유입지하수량을 감소시킨다. 이러한 지하수 제어개념은 약 700 km의 도로 터널, 250 km의 철도 터널 및 40 km의 지하철 터널이 포함된 노르웨이 교통 시스템 건설 중 발생한 지하수 문제를 다음과 같이 해결해가는 과정에서 정립되어온 것이다(Road Tunnels-Manual 021, 2004).

1990년대 후반, Romeriksporten 철도터널 건설 중에 지하수 제어와 관련하여 심각한 문제가 발생했는데, 그로 인해 주변 환경을 엄격히 보전해야 하는 도시 지역에서 터널을 계획하고 건설하는 방법에 대한 의문이 제기되었다. 이에 정부, 시공사, 설계사 및 출연연구원으로 구성된 연구단을 출범하여 1995년부터 2001년까지 지하수 유입량의 엄격한 제어가 요구되는 조건, 지층불량 및 토피고 부족 등의 불리한 조건에 건설되는 도심지 터널들을 대상으로, 다양한 지하수 관련 지반조사, 터널 주변 지하수 거동메커니즘 관측, 터널 내 허용유입량 설정 및 고효율 그라우팅 기술 적용을 시도하고 그 결과를 수집하는 방법으로 연구를 수행하였다. 또한, 스웨덴, 핀란드 등 주변국가들과 공동으로 연구함으로써 환경 영향을 최소화하면서도 경제적인 터널기술을 개발하였다(Davik and Andersson, 2001).

개발된 주요기술은 터널건설로 인한 지하수 변동제어를 위해 터널 주변환경에 미치는 영향을 고려하는 최대 허용유입량(maximum allowable inflow rate) 및 한계 잔류 유입량(Limit Residual Inflow Rate, LRIR)설정방안과 유입량 목표를 실현하기 위한 신개념 시스템 그라우팅 기술로서, 도심지 터널의 지하수 유입량을 2~30 L/min/100m의 범위로 조절하기 위해 고압 ‧ 고점성 ‧ 고효율 그라우팅을 패턴화하여 시스템적으로 적용한다(Grøv and Woldmo, 2012).

상기한 북유럽 국가들의 지하수 제어사례는 터널건설이 도심환경에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 터널 내 유입량 조절 개념을 도입한다는 점과 재래식 그라우팅 기술을 개량하여 운영기간 동안 작용하는 터널 내 유입량 제어기술로 채택한다는 점에서, 우리나라 지하철 터널 사례와 상당히 큰 차이점을 드러낸다. 그러한 차이점들을 분석하여 국내 도심지 터널 계획단계에서 아직 고려하지 못하고 있는 지하수 변동 제어 개념 설정에 활용하고 지하수 제어 계획에 필요한 터널 주변 지하수 변동메커니즘 분석을 수행하였다.

3. 도심지 대심도 터널 지하수 변동 제어 방안

전술한 바와 같이 잦은 도심지 지반재해 문제 해결을 위해 제정된 법령 및 기술제도의 시행으로 우리나라에서도 도심지 터널계획시 비배수형 터널형식을 적용하는 방안에 대한 기술적 관심이 높아지고 있다. 그러나 비배수형 터널 건설에 필요한 대단면 비배수 TBM터널 공법의 기술환경 정립이 미흡한 상황이고, TBM을 적용하는 경우에도 일부 구간에 관용터널공법을 적용한 터널건설은 불가피하므로, 해외사례를 벤치마킹하여 당면한 여러 도심지 대심도 터널사업에서 지하수 관련 문제발생을 사전에 예방할 수 있는 대책이 필요하다.

이에, 조사된 도심지 터널의 지하수 관리현황을 비교 ‧ 분석하여 배수시스템의 성능 목표가 될 지하수 관리기준의 설정 방향을 제시하고, 그러한 관리목표를 달성할 수 있는 지하수 제어방안 및 해당방안 적용에 필요한 다중수리경계 터널의 수리역학적 거동 분석결과를 제시하였다.

3.1 지하수 관리기준 설정 방안

Table 2는 ‘2. 도심지 터널 지하수 관리 현황’에서 기술한 북유럽 도심지 터널의 지하수 변동 제어사례의 상세 현황이다. 기술된 현황은 관용터널공법에 의해 시공된 터널에서 각 터널의 구간별 특징에 따라 지하수 변동이 미치는 영향에 대한 민감도 분석을 통해 허용 유입량을 설정하고 신개념 시스템 그라우팅 계획을 적용하여 지하수 제어를 시도한 결과로서, Table 3에 나타난 바와 같이 허용 유입량 기준이 설정되어 있지 않아 경험적으로 선정되는 터널 내 주배수관 용량을 최대한 활용하여 터널 내로 유입수를 집수 ‧ 배출 시키는 우리나라 기술관행과는 분명히 구분된다. 또한, 터널 내 지하수 유입 개소가 전체 터널연장 내에서 불규칙하게 나타나는 점과 시간 경과에 따른 자연적 지반 내 폐색효과로 유입량이 감소하는 점(Melby and Øvstedal, 2001)을 고려하여 유입량 기준의 단위를 ‘L/min/100m’로 설정하여 유입을 적극적으로 제어하려 하는 점 역시, Table 3의 국내 터널 유입량 측정 단위와 다른 점이다.

Table 2.

Overseas urban tunnel groundwater control case

Tunnels Length (km) Allowable inflow (L/min/100m) Measured inflow (L/min/100m)
Tåsen 0.9 System grouting sector : 10
General sector : 15~20
13 L
Svartdal 1.5 1.5~2.5 2.3 L
Storhaug 1.3 STA.1+250~1+550 : 3
STA.0+750~0+900 : 10
1.6
Bragernes 2.3 STA.0+400~800, 1+700~900 : 8
STA.0+800~1+700 : 10
STA.0+240~1+730 : 8
STA.1+730~2+540 : 25
Baneheia 3.0 1.7 General sector : 60
Under lake sector : 6~12
Table 3.

Status of allowable groundwater inflow in urban tunnels (Subway Line 5)

Sector Length (km) Allowable inflow (L/min/100m) Measured inflow (L/min/100m)
General 23.4 - (empirical, 300) 83
Under water 7.9 - (empirical, 300) 301

유입량 측면에서도 북유럽 사례와 국내 관행은 큰 차이를 보인다. 서울지하철 5호선의 지하수 유입량은 1.38 m3/min/km으로 이를 단위환산하면 138 L/min/100m인데, 북유럽 사례인 1.6~60 L/min/100m의 최소 2배 이상으로 엄격하게 제어하는 터널과 비교하면 약 80배 정도 큰 유입량이다. Fig. 2는 현재 우리나라에서 터널 단면계획시 경험적으로 결정되는 배수관 용량에 따라 정해지는 허용유입량 2.0 m3/min/km과 북유럽 사례의 허용유입량을 도시한 것이다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F2.jpg
Fig. 2.

Comparison of urban tunnel inflow rate

이러한 지하수 관리현황의 차이점을 고려할 때, 도심지 대심도 터널사업이 활성화되는 최근의 국내추세에서는 북유럽의 성공적 경험을 도입하는 것은 불가피하다. 다만, 북유럽 터널사례는 지하수를 완전히 막는 방수개념이 아니라 각 사업별 지하수 관련 환경여건에 따라 허용되는 정도로 지하수 유입을 제어하는 것이므로, 우리나라 실정에 맞게 지하수 변동 허용치를 설정할 수 있도록 지상지중 구조물 침하, 지중 공동함몰, 동식물 생활조건 및 소요 지하수자원 조건 등 지하수 관련 환경여건의 분류 및 분석이 선행되어야 한다(Grøv and Woldmo, 2012).

우리나라는 아직까지 터널건설 관련한 지하수 관리기준이 제시되어 있지 않으나, 2018년부터 시행되어온 지하안전영향평가에서 공사장 지하수관리매뉴얼(Seoul Metropolitan Government, 2016a)의 일 지하수위 저하량 및 누적 지하수위 저하량을 지하수 관련 안전평가기준으로 채택하고 있다(Korea Land & Housing Corporation, 2020). 그러나 이는 서울시의 평균 지층두께를 가정한 후, 지반침하량 25 mm를 유발하는 지하수위 저하량의 80%를 기준으로 제시한 것으로 다양한 조건의 터널 사업에서 일률적으로 적용할 수 없다. 뿐만 아니라, 터널건설로 인한 지하수위 저하는 터널을 굴착함에 따라 대심도 지중에서 이미 발생한 투수경계 변화에 종속된 결과로서 일정한 시간차를 두고 지상에서 발생하는 현상이기 때문에, 관측된 지하수위 저하량을 관리기준으로 설정하는 방안에 의해 터널굴착이 유발하는 지하수 변동을 선제적 혹은 적극적으로 제어하는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 오히려 그러한 현행 지하수위 관리기준 설정 관행은 발주처 등에서 행정적 조치의 기준으로서만 효과적으로 기능하게 될 가능성이 크다.

따라서 해외 도심지 터널 지하수 제어 사례에서 조사된 바와 같이 터널 내 유입량을 지하수 변동 제어 도구로서 채택하고 지하수 관련 환경영향에 대한 민감도 분석을 통해 허용 유입량 기준을 정한 후, 그 기준을 만족하는 지하수 변동 제어 대책을 계획할 수 있도록 Fig. 3과 같은 지하수 관리기준 설정 개념의 전환을 제안한다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F3.jpg
Fig. 3.

Criteria for groundwater management and new concept for groundwater control

4. 터널 내 유입량 관리를 통한 지하수 변동 제어방안

Figs. 4, 5, 6은 도심지 대심도 터널을 계획함에 있어 기존 지하수 관리기준 적용관행과는 달리, 위한 터널 내 유입량을 관리기준으로 하는 지하수 변동제어 개념을 도입한 사례들의 주요사항을 도시한 것이다. 도시된 사항을 바탕으로 각 사례별 터널주변 지하수 관련 환경여건에 따라 터널 내 유입량 관리기준을 설정하고, 효율적인 유입량 관리방안의 적용성을 검토하였다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F4.jpg
Fig. 4.

Impact analysis of the groundwater fluctuations owing to tunnel construction

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F5.jpg
Fig. 5.

Establishment of groundwater fluctuation measures and management standards

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F6.jpg
Fig. 6.

Scheme of inflow rate control using modern system grouting technique

인용된 사례들은 Fig. 1에 도시된 대심도 광역철도 및 대심도 지하도로 사업으로, 도심구간을 통과하는 대심도 터널계획에 있어 전술한 북유럽의 지하수 변동제어 개념과 기술의 도입을 시도하였으며, 다음과 같은 분석체계에 의해 터널 배수시스템을 계획하였다.

i. 지하수 변동영향 민감도 분석 및 위험구간 선정

ii. 지하수 변동제어대책 민감도 분석 및 허용 지하수위 저하량 설정

iii. 위험구간별 터널 내 허용 유입량 기준 설정

iv. 허용 유입량 기준에 따른 배수시스템 및 구조물 설계

Fig. 4는 지하수 변동영향 위험구간 선정을 위하여 터널 주변 지반조건, 지상건물 현황, 지중구조물 현황 및 지중 공동 분포현황 등 지하수 관련 환경조건과 관련하여 지하수 변동시 지반침하 또는 함몰에 대한 안정성을 분석한 내용이다. 그에 따라, 일반적으로 서울시 지하수 관리매뉴얼의 지하수위 저하량 관리기준인 누적수위 저하량 기준 MH < 8 m를 적용하는 관행과 달리, 지하수 변동영향 분석결과에 근거하여 위험구간별로 MH < 5~7 m로 설정하였다. 수위저하가 과다할 것으로 예상되는 구간에는 Fig. 5(a)와 같이 신개념 시스템 그라우팅 적용에 의한 민감도를 분석하였다.

민감도 분석결과를 바탕으로 각 위험구간별 허용 지하수위 저하량을 설정한 후, Fig. 5(b)와 같이 지하수위 저하량 - 터널 내 유입량 관계로부터 위험구간별 터널 내 허용 유입량 기준을 설정하였다. 인용된 사례들의 터널 내 허용 유입량 기준은 지하수 관련 환경조건 및 지하수 변동영향 분석결과에 따라 분류된 위험기간별로 40~79 L/min/100m을 적용하였다.

지하수 변동제어 대책의 주요기술로 적용된 Fig. 7의 신개념 시스템 그라우팅(Grøv and Woldmo, 2012)은 1990년대 후반까지 북유럽에서도 불확실성, 비용 및 공기 등의 문제로 터널현장에서 기피되던 재래식 그라우팅 기술을 고압 ‧ 고점성 ‧ 고효율 주입기술로 개량하여 해저터널 등의 장대터널에서도 시스템적으로 적용되며 고효율 그라우팅, 트럼펫형 그라우팅 또는 팬 그라우팅 등으로 알려져 있다(Davik and Andersson, 2001). 이 기술은 각 패턴별 LRIR에 따라 시스템적으로 triggering & stopping criteria를 적용함으로써 주입물량과 공사기간을 최소화한다(Grøv and Woldmo, 2012). 또한, 그라우팅 전 ‧ 후, 지반의 공학적 특성변화에 대한 체계적 연구(Shin, 2020)를 통해, 주입된 지반이 수리적 특성 뿐만 아니라 역학적 특성도 개선된다는 점을 확인하고 도심지 터널공사의 안정성 및 시공성 개선을 위한 수단으로도 활용하고 있다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F7.jpg
Fig. 7.

Modern concept of system grouting in the Lundby tunnel, Sweden21

Fig. 8은 전술한 터널 내 유입량 제어개념을 적용한 경우의 지하수위 저하 및 지반침하 제어 효과와 특별히 엄격하게 유입량을 제한할 필요가 있는 경우 활용 가능한 콘크리트 라이닝 배수구조 내부 설치용 유입량 자동제어밸브 개념을 도시한 것이다. Fig. 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 기존의 관행적 허용 유입량의 약 1/3수준에 해당하는 정도로 터널 내 유입량을 제어하는 경우, 터널 건설로 인한 지하수 변동이 지상건물 및 지중구조물에 미치는 부정적 영향을 예방할 수 있다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F8.jpg
Fig. 8.

Recent cases of tunnel inflow rate control in Korea

신개념 시스템 그라우팅에 의해 암반의 역학적 특성이 향상되므로, 대심도 불량암반 통과구간의 안정성을 확보(Barton, 2004)할 수 있게 될 뿐만 아니라, 터널 내 유입이 제한되는 지하수량에 해당되는 수압을 개량 암반이 지지(Shin, 2020)하게 되므로 터널구조물의 안정성 역시 향상된다. 더 나아가, 장기간에 걸친 구조물 유지관리 비용을 절감할 수 있고, 일정 수준으로 지하수위를 유지할 수 있어 도심 지하수자원 활용도 개선에 효과적이다.

4.1 다중수리경계 조건의 지하수위 - 터널 내 유입량 관계 분석

인용 사례의 검토 내용 중, 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계가 선형적 특성을 나타낸다는 점을 확인할 수 있는데, 해당 분석내용은 과업지역 특성을 고려한 특정 조건에서의 분석결과로서 선형적 관계 확인에 필요한 자료 수가 다소 부족하다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서 다양한 조건에서 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계를 분석함으로써 터널 내 유입량을 제어하는 배수시스템 계획의 신뢰도 향상방안을 제안하고자 한다.

Su et al. (2017)의 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계와 Shin et al. (2005)의 터널 내 유입량-상대투수성 관계에 대한 연구결과에 더해 본 연구에서는 그라우팅과 라이닝이 적용된 다중수리경계 터널에 대한 수치해석적 매개변수 분석을 수행하고 지하수위 저하량과 터널 내 유입량 관계를 파악하고자 한다. Fig. 9는 본 연구의 수치해석 경계조건 설정을 위해 고려한 도심지 대심도 터널의 수리경계 특성을 도시한 내용이다. 도심지는 Fig. 9(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 광역지질학적으로 평지에 형성되어 있고 이미 도시화되어 있으므로, 강우시 지표면으로의 유입량보다는 Fig. 9(b)와 같이 지중에서 멀리 이격되어 집수 유역이 형성되어 있는 지점으로부터의 유입량이 훨씬 크다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F9.jpg
Fig. 9.

Hydraulic boundary characteristics of urban tunnels

도심지 터널의 수리경계 특성을 반영하고 시스템 그라우팅과 숏크리트 라이닝을 고려한 다중수리경계 터널에 대하여 다양한 지반조건에 따른 지하수위 저하량 및 터널 내 유입량 관계를 도출하기 위한 수치해석을 수행하였다. 수리경계 영향을 최소화하기 위하여 측방 영역을 30D로 설정한 유한요소망을 Fig. 10과 같이 구성하였다. H는 터널 심도로 25~100 m 범위이며, 지하수위 변화량 Δh는 지표에서부터 지하수위 까지의 길이로 설정하였다. 터널 지름 D는 10 m이고 시스템 그라우트의 두께 tg는 3, 5, 7 m, 숏크리트 라이닝의 두께는 0.2 m로 선정하였다. Fig. 10에 지반, 시스템 그라우트 및 숏크리트 라이닝 파라미터를 정리하였다(ks : 지반 투수계수, kg : 시스템 그라우트 투수계수, kl : 숏크리트 라이닝 투수계수).

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F10.jpg
Fig. 10.

FEM mesh generation for each case

다양한 조건에서의 지하수위 저하량 및 터널 내 유입량 관계를 도출하기 위한 수치해석 case를 Table 4에 정리하였다. 상대투수성은 kg/ks = 1.0~0.001이다. 해당 지반 조건에서 시스템 그라우트를 미적용 및 적용한 경우에 대한 수치해석을 수행하였으며, 숏크리트 라이닝은 시스템 그라우트를 적용한 경우에 한해 추가하여 해석하였다.

Table 4.

Numerical analysis cases

H (m) kg/ks System grouting and grout thickness (tg, m) Shotcrete lining
25
35
50
100
1
0.2
0.1
0.01
0.001
-
(GxLx)
-
3
5
7
(GoLx)
Thickness 0.2 m
(GoLo)

H = 50 m일 때, 시스템 그라우트 미적용, 시스템 그라우트 미적용 및 숏크리트 라이닝 적용 case에 대한 결과를 Fig. 11에 정리하였다. Fig. 11(a)는 상대투수성 변화에 따른 지하수위 저하를 도시한 것이다. 시스템 그라우트가 적용되지 않으면 상대투수성에 상관없이 지하수위가 터널 천단까지 떨어진다. 하지만 시스템 그라우트를 적용하면, 상대투수성 0.1~0.001 범위에서는 현저한 지하수위 감소 방지 효과를 보여준다. 또 시스템 그라우트의 두께가 두꺼울수록 지하수위 저하량이 감소된다. 숏크리트 라이닝이 설치되면 추가 지하수위 감소 방지효과가 있으나 그 영향이 미미한 것으로 나타났다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F11.jpg
Fig. 11.

Numerical analysis result at H = 50m

터널 내 유입량에 대해 정리한 Fig. 11(b)는 지하수위 저하량과 반대의 경향을 보인다. 상대투수성이 커질수록 터널 내 유입량은 감소하며, kg/ks = 0.001에서 시스템 그라우트 7m를 적용하면 적용하지 않았을 때 보다 터널 내 유입량은 99.2% 까지 감소한다.

Fig. 12는 터널 심도에 따른 수치해석 결과를 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계로 정리한 것이다. 터널 심도가 비교적 얕은 경우(H < 50 m) 지하수위는 터널 천단까지 떨어지게 되며, 터널 심도가 깊은 경우(H > 100 m)에는 지하수위가 지중에 위치한다. 지반 투수계수가 시스템 그라우트 투수계수와 같아지는 kg/ks = 1.0을 제외하고 시스템 그라우트 적용이 지하수위 저하량 및 터널 내 유입량의 감소에 효과적임을 확인할 수 있다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F12.jpg
Fig. 12.

The relationship between groundwater level and inflow according to the change in depth

Fig. 13은 다양한 조건에서의 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계를 정리한 것이다. 터널 건설시 지반조건 조사, 터널 심도 등을 결정하고 지하수위 저하량 기준을 선정한다면 Fig. 13을 이용해 시스템 그라우트 또는 시스템 그라우트와 숏크리트 라이닝을 적용하였을 때의 터널 내 유입량을 산정할 수 있다. 일예로, 지반 투수계수가 1 × 10-6 m/s (kg/ks = 0.1)이고 터널 심도가 25 m일 때 지하수위 저하량 기준을 10 m로 제한한다면 시스템 그라우트 3, 5, 7 m를 적용하였을 때 Fig. 13(b), 13(c), 13(d)에서 터널 내 유입량은 각각 110, 88, 65 L/min/100m가 된다. 계산된 최대 터널 내 유입량이 수용 가능하다면 시스템 그라우트 3 m를 적용하고, 터널 내 유입량 관리 기준이 70 L/min/100m 라면, 시스템 그라우트 7 m를 적용하여야 한다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F13.jpg
Fig. 13.

Relation between groundwater level and inflow of tunnel

5. 토론 및 고찰

수행 연구의 적정성 및 필요성을 파악하기 위해 기존 논문의 결과와 비교 분석을 수행하였다. 본 연구에서 수행한 수치해석의 결과를 Su et al. (2017)의 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계와 비교하였다. 사용된 파라미터는 지표면부터 지하수까지의 거리 h, 지표면부터 터널 중심까지의 거리 h, 터널 반지름 r을 사용하여 상대투수계수에 따라 Fig. 14와 같이 정리하였다. Fig. 14(a)에서 다중수리경계 터널 조건을 고려하지 않았을 경우 Su et al. (2017)의 연구결과와 동일하게 지반 투수계수 변화에 관계없이 한 선으로 수렴하며, 단일 파라미터로 설명이 가능하다. 하지만 다중수리경계 터널 조건(GoLx, tg 3m)을 고려하면 Fig. 14(b)와 같이 지반 투수계수에 따른 h의 정규화가 불가하다. 다양한 조건에서 지하수위 저하량-터널 내 유입량 관계를 일반화 할 수 있는 분석결과를 제시하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.

/media/sites/kta/2021-023-06/N0550230604/images/kta_23_06_04_F14.jpg
Fig. 14.

Comparison with existing results

본 연구는 현재 국내 터널 기술 관행 상, 고려되지 않고 있는 배수형 터널의 지하수 관련 도심환경 영향에 대한 문제 제기와 문제 해결 방안으로서 터널 내 유입량 제어방안을 제시하려는 목표로 수행된 것이다. 터널 내 유입수량을 제한하는 경우, 그에 상응하는 크기의 수압이 그라우팅의 외측 주면 또는 터널 구조물에 작용할 것으로 예상되는 바, 선행연구의 kg/ks 및 kl/ks를 매개변수로 하는 다중수리경계 터널의 유량-수압 관계에 관한 후속 연구를 진행 중이다. 이 연구 결과가 제공되면, 터널 주변 여건에 따라 터널 내 유입량 기준을 설정하고 지하수 변동 제어대책 적용 계획을 수립한 후, 그 영향을 고려한 콘크리트 라이닝 배수구조를 설계할 수 있으므로, 지하수 변동을 제어하는 도심지 대심도 터널계획의 수립체계를 구성하는데 도움이 될 것으로 판단된다.

본 연구에서 터널 내 유입량 기준을 설정하기 위해 고려한 지하수 관련 환경영향은 지반침하 또는 함몰의 역학적 현상으로, 이외에 주요하게 고려하여야 할 환경영향 조건은 도심 지하수자원 및 식생환경 보전 문제이다. 이 문제는 공학적으로 다루기 이전에 도심환경에 관한 장기 정책적 측면의 고려가 선행되어야 할 것으로 판단된다.

또한, 본 연구에서 제안한 터널 내 유입량 제어방안을 도입할 경우, 운영 중 터널의 지하수 배출량 감소, 집수정 설치규모 및 운영비용 감소 등의 유지관리 성능 향상 효과가 예상되므로 이와 관련된 가치분석 연구가 수행되고 그 결과를 다양한 대심도 지하공간 사업 개발시 반영할 필요가 있다.

6. 결 론

본 연구에서는 최근 관심이 높아지고 있는 도심지 대심도 지하공간을 활용한 터널계획을 수립함에 있어, 지반침하 및 지반함몰의 주요 원인으로 주목되고 있는 지하수의 변동을 제어하는 방안에 대하여 연구하였다. 현행 지하수 관리기준의 개념 전환과 그에 따른 지하수위-터널 내 유입량 관계를 주요내용으로 분석한 결과에 의해 얻어진 결론은 다음과 같다.

1. 현행 지하수 관리기준으로 적용되고 있는 서울시 지하수 관리 매뉴얼의 지하수위 관리 개념을 터널 내 유입량 관리 개념으로 전환이 필요하다.

2. 지하수위 저하량과 터널 내 유입량 관계는 지반-그라우팅, 지반-라이닝간 상대투수성에 따라 직선적 관계를 나타내며, 이를 고려하여 건설사업별 특성에 부합하는 지하수 변동 제어 기술을 적용할 수 있다.

3. 기존의 경험적 배수형 터널기술과 달리 터널 내 유입량을 제어하므로 그로 인한 지반-터널 구조물간 수리역학적 거동 변화를 분석하는 연구가 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(도심 지하 교통 인프라 건설 및 운영 기술 고도화 연구, 과제번호 21UUTI-B157793-02).

저자 기여도

신종호는 연구 개념 및 설계, 원고 검토를 하였고, 정재호는 원고 작성 및 수치해석 데이터 분석을 수행하였고, 김강현은 수치해석을 담당하였고, 송명규는 데이터 수집 및 분석을 하였다.

References

1
Barton, N. (2004), The why's and how's of high pressure grouting - Part 1, 2, TTI Sept, pp. 28-30.
2
Davik, K.I., Andersson, H. (2001), "Urban road tunnels, a subsurface solution to a surface problem", Publication No. 12 Norwegian Tunnelling Society, pp. 35-40.
3
El Tani, M. (1999), "Water inflow into tunnels", Proceedings of the World Tunnel Congress ITA-AITES, Oslo, Balkema, pp. 61-70.
4
ETRL (2014), Development of monitoring and management system technology for urban underground facilities based on IoT, pp. 29-38.
5
Fernandez, G., Alvarez, T.A. (1994), "Seepage-induced effective stresses and water pressures around pressure tunnels", Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 120, No. 1, pp. 108-128. 10.1061/(ASCE)0733-9410(1994)120:1(108)
6
Goodman, R.E., Moye, D.G., Van Schalkwyk, A., Javandel, I. (1965), "Ground water inflows during tunnel driving", Bulletin of the International Association of Engineering Geologists 2, No. 1, pp. 39-56.
7
Grøv, E., Woldmo, O. (2012), "Modern pre-grouting technology in Norway", Proceedings of the Fourth International Conference on Grouting and Deep Mixing, New Orleans, pp. 805-809. 10.1061/9780784412350.0064
8
Hard Rock Tunnel Grouting Practice in Finland, Sweden, and Norway (2003), Finnish tunnelling association.
9
Joo, E.J., Shin, J.H. (2014), "Relationship between water pressure and inflow rate in underwater tunnels and buried pipes", Geotechnique, Vol. 64, No. 3, pp. 226-231. 10.1680/geot.12.P.185
10
Karlsrud, K. (2001), "Water control when tunnelling under urban areas in the Olso region", NFF Publication No. 12, Vol. 4, pp. 27-33.
11
Korea Land & Housing Corporation (2020), Manual for underground safety impact assessment-tunnel.
12
Lei, S. (1999), "An analytical solution for steady flow into a tunnel", Ground Water, Vol. 37, No. 3, pp. 23-26. 10.1111/j.1745-6584.1999.tb00953.x
13
Li, P., Wang, F., Long, Y., Zhao, X. (2018), "Investigation of steady water inflow into a subsea grouted tunnel", Tunnelling and Underground Space Technology, No. 80, pp. 92-102. 10.1016/j.tust.2018.06.003
14
Melby, K., Øvstedal, E. (2001), "Subsea tunnels in Norway", Proceedings of the 4th Symposium on Strait Crossings, Bergen, Norway, pp. 6.
15
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2015), Ground subsidence safety management manual, pp. 9-30.
16
Moon, J., and Fernandez, G. (2010), "Effect of excavation-induced groundwater level drawdown on tunnel inflow in a jointed rock mass", Engineering Geology, Vol. 110, No. 3-4, pp. 33-42. 10.1016/j.enggeo.2009.09.002
17
Road Tunnels-Manual 021 (2004), Norwegian public roads administration, pp. 26-27.
18
Seoul Metropolitan Government (2016a), Groundwater management manual for construction sites.
19
Seoul Metropolitan Government (2016b), Summary report of Seoul Groundwater management plan, pp. 5.
20
Seoul Metropolitan Government (2017), Guidelines for submitting request for qualifications (RFQ), pp. 7.
21
Shin, J.H. (2010), "Analytical and combined numerical methods evaluating pore water pressure on tunnels", Geotechnique, Vol. 60, No. 2, pp. 141-145. 10.1680/geot.8.T.035
22
Shin, J.H. (2020), Tunnel Engineering, CIR, Seoul, pp. 19-20.
23
Shin, J.H., Potts, D.M., Zdravkovic, L. (2005), "The effect of pore-water pressure on NATM tunnel linings in decomposed granite soil", Canadian Geotechnical Journal, Vol. 42, No. 6, pp. 1585-1599. 10.1139/t05-072
24
Statistics Korea (2014), General status of urban railway in Korea.
25
Su, K., Zhou, Y., Wu, H., Shi, C., Zhou, L. (2017), "An analytical method for groundwater inflow into a drained circular tunnel", Groundwater, Vol. 55, No. 5, pp. 712-721. 10.1111/gwat.1251328329431
26
Tonon, F. (2009), "ADECO as an alternative to NATM : how it works, why it works", Proceedings of the Rapid Excavation & Tunnelling Conference 2009, Part 15 SEM, USA, pp. 942-968.
27
Woo, J.T. (2009), "A study on comparison of a ground water influx quantity in Seoul subway tunnel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 11, No. 4, pp. 353-359.
28
Xu, Z., Wang, X., Li, S., Gao, B., Shi, S., Xu, X. (2019), "Parameter optimization for the thickness and hydraulic conductivity of tunnel lining and grouting rings", KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 23, No. 6, pp. 2772-2783. 10.1007/s12205-019-1509-9
페이지 상단으로 이동하기