1. 서 론

도심지 연약지반에서의 터널정거장 굴착공사는 일반적인 지반 조건에 비해 지반침하 및 지하안전사고의 위험이 높으므로 보다 정밀한 설계와 사전 조치가 필수적이다. 특히, 과거 매립 이력이 존재하는 인천 ○○지역과 같은 도심 내 연약지반에서는 굴착에 따른 영향범위를 보수적으로 산정하고 이에 따른 지반침하 예방대책을 사전에 마련하는 것이 필요하다.

최근 국내 연구동향을 살펴보면 Lee and Woo (2022) 도심지 대심도 터널 및 수직구 구간의 지반안정성 평가를 위한 굴착영향범위를 보수적으로 산정하였다. 이론식·경험식(예: Peck 곡선 등)과 2D/3D 수치해석을 병행해 굴착영향범위를 비교하고, 안전측으로 이론·경험식 값(최대굴착심도의 약 2.0배)을 채택한 설계사례가 발표되었다. 지하안전정책 및 지자체 운영 현황을 살펴보면 국토교통부 ‘국가지하안전관리 기본계획’은 지표투과레이더(ground penetrating radar, GPR)·IoT 기반 매설물 관리와 위험예측을 강화하는 방향을 설정하였으며 서울시는 최근 5년 지반침하 85건 중 38건이 노후 하수관로 원인으로 분석하여 GPR 탐사지도 공개 및 복구 현황을 지속 공유하는 등 선제적 모니터링을 확대하고 있다. 또한, 도로·도시부 지반의 공동을 3D GPR로 탐지하고, 딥러닝(YOLOv5 등)으로 자동 식별하는 연구가 증가하고 있으며 공개 데이터셋 구축과 실무 적용성이 논의되는 추세이다(Kim and Byun, 2023).

본 연구는 수도권광역급행철도 ○노선 내 인천 ○○정거장의 대심도 수직구를 대상으로, 굴착에 따른 영향범위를 이론식, 경험식 및 수치해석 기법을 통해 비교·분석하여 굴착영향범위로 산정하고자 한다. 또한, 해당 범위 내 주요 구조물과 지장물에 대해 지반침하 예방을 위한 계측계획을 수립하고, 지표투과레이저탐사(3D GPR)를 통한 공동탐사 및 하수관로에 대한 CCTV (closed-circuit television) 조사를 병행하였다.

이러한 통합적 지하안전확보방안은 복잡한 도시지반 조건에서의 안전한 터널 시공을 위해 필수적인 과정이며, 본 연구는 유사한 지질 조건에서의 도심지 터널공사 설계에 유용한 사례로 활용될 수 있다.

2. 터널정거장 굴착영향범위 산정 및 계측계획수립

대심도 터널정거장 지하안전평가시 굴착공사에 따른 지반침하 영향범위를 산정하는 것은 매우 중요한 요소이다. 특히, 연약지반에서는 지반침하 위험이 매우 높으므로 면밀한 검토가 필요하다. 본 사례 연구에서는 수도권광역급행철도 ○노선 사업에서 과거 매립이 진행된 연약지반의 인천 ○○정거장 공사구간을 대상으로 굴착영향범위를 산정하였다.

2.1 이론 및 경험적 추정 방법

지반안정성 평가를 위한 대상지역 설정시 일반적으로 적용되는 이론식 및 경험식 추정방법은 Peck (1969)의 곡선방법, Caspe (1966)의 방법, Clough and O’Rourke (1990) 등의 방법이 있다. 대상사업 지반조건에 따라 이론식 및 경험적 추정방법을 통해 굴착에 따른 검토범위를 산정하였다.

2.1.1 Peck (1969)의 곡선에 의한 방법

Peck (1969)은 굴착지반의 특성 및 굴착깊이에 따라 여러 현장의 강성이 낮은 흙막이 벽체에 대한 계측결과를 분석하여 지반 종류별로 최대굴착고에 대한 이격거리와 최대굴착고에 대한 침하량을 도시하여 제시하였다.

Peck (1969)의 이론곡선은 다음과 같이 지반 조건별로 Ⅰ–Ⅲ지역으로 구분하였다.

• Ⅰ지역 : 모래와 연약 또는 견고한 점토

• Ⅱ지역 : 매우 연약 내지 연약한 점토

• Ⅲ지역 : 굴착 바닥면 아래 상당 깊이까지 매우 연약 내지 연약한 점토층 존재

Table 1에서 제시된 지반조건 중 대상 사업구간의 지반조건은 Ⅱ지역에 해당하며, 아래의 Fig. 1에서와 같이 ｢굴착면으로부터의 거리 / 최대굴착고 : 4.0 (지역조건 Ⅱ)｣이다.

Fig. 1.

Prediction of ground settlement on the back of earth retaining wall (Peck, 1969)

따라서, Peck (1969)의 방법에 의한 굴착영향거리는 다음 식 (1)과 같이 산정할 수 있다.

그러나 이 Fig. 1은 벽체의 강성이나 지하수위의 영향은 고려하지 않고 굴착면에서 최대토압이 발생하며 토류벽으로부터 횡방향 거리증가에 따라 규칙적으로 침하가 감소되는 것을 단순화한 것으로서, 벽체의 강성에 따른 침하감소 영향이 고려되지 못하는 단점이 있다.

2.1.2 Caspe (1966)의 방법

Caspe (1966)의 방법은 강널말뚝의 변위와 포아송비를 사용하여 벽체배면의 지반 침하량 분포범위를 제안한 바 있으며, Bowles가 재정리하여 추정하였다(KGS, 2018).

침하영향거리 D의 계산식은 다음과 같다.

여기서, Ht : Hp+Hw

Hp : B (𝜙=0 경우) =0.5Btan(45°+ϕ/2)

D : 침하영향거리

HW : 굴착심도

B : 굴착폭

𝜙 : 지반의 전단저항각

Caspe (1966)의 방법에 따른 대상 사업구간의 최대굴착심도를 고려한 지반 검토범위(굴착영향거리)는 다음 식 (3)과 같다.

2.1.3 Clough and O’Rourke (1990)의 방법

Clough and O’Rourke (1990)은 모래지반, 굳은 점토지반 및 연약내지 중간정도의 점토지반에 굴착을 시행했을 경우, 흙막이벽체 배면에서의 거리별 침하량을 현장에서 측정하고 유한요소법으로 구하여 다음 Fig. 2와 같이 제안하였다(KGS, 2018).

• 사업구간의 특성을 고려한 지반조건 가정 : 연약지반

• 흙막이 벽체로부터의 거리 / 굴착깊이 : 2.0 (연약지반)

Fig. 2.

Distance affected by excavation (Clough and O’Rourke, 1990)

Clough and O’Rourke (1990)의 방법에 따른 대상 사업구간의 최대굴착심도를 고려한 지반 검토범위(굴착영향거리)는 다음 식 (4)와 같다.

2.2 수치해석에 의한 방법

수치해석을 통해 굴착에 따른 배면 침하 영향을 검토하기 위하여 기 설계된 흙막이 가시설 공법 및 시공순서를 반영하여 2차원 유한요소해석을 수행하였다. 일반적으로 굴착에 의한 영향과 지하수위 저하에 따른 영향을 함께 고려하는 침투-응력 연계해석을 적용할 경우, 초기 지하수위 조건으로 건기와 우기가 반복적으로 발생하는 지반특성을 반영하지 못해 굴착영향 검토범위가 과다하게 산정되는 경향이 있다.

따라서, 본 연구에서는 굴착영향범위 산정을 위한 수치해석 방법으로 지하수위 변화를 고려하지 않은 응력해석을 적용하였다. 또한, 강성체인 인접구조물을 반영할 경우, 구조물의 영향으로 침하량이 과소하게 산정되거나, 구조물로 인해 침하경향 분석에 제약이 발생하므로 인접구조물은 모델링에 반영하지 않았다.

해석단면은 정거장 수직구가 위치한 구간 중 대표적인 지반조건과 시공조건을 반영할 수 있는 단면으로 선정하였다. 대상 정거장은 대심도 수직구와 이를 연결하는 개착부 및 본선 터널이 연속적으로 배치된 형상을 가지며, 매립층과 연약점토층이 두텁게 분포하고 있어 굴착 시 지반변형이 집중되는 특성이 있다. 이에 따라 굴착 평면 형상은 2차 개착가시설 굴착심도(H)를 기준으로 한 직사각형 형태로 모델링하였으며, 굴착 폭 대비 깊이가 큰 대심도 형상이라는 점에서 수직방향 변형이 지배적인 거동 특성을 보인다. 이러한 지반 및 구조적 특성을 반영한 단면을 선정함으로써, 수치해석 결과가 실제 시공 시 발생 가능한 침하 거동을 보다 합리적으로 설명할 수 있도록 하였다.

수치해석에는 MIDAS GTS NX (MIDAS IT Co., Ltd., Korea)를 사용하였으며, 해석모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하였다. Mohr-Coulomb 모델은 선형탄성을 가정한 후 전단파괴 조건을 만족할 때 소성거동이 발생하는 전형적인 탄소성 모델로서, 항복조건은 최대 전단응력이 점착력(c)과 내부마찰각(φ)에 의해 정의되는 Mohr-Coulomb 항복함수를 따른다. 소성흐름은 일반적으로 비연관 흐름법칙을 사용하며, 팽창각(ψ)을 고려한 소성잠재함수를 통해 소성변형률 증분이 산정된다. 이와 같은 구성방정식과 소성이론은 해석에 단순성과 실용성을 부여하나, 응력경로 의존성이나 비선형 탄성거동, 큰 변형 시의 체적팽창 및 강도 연화 등 실제 지반의 복잡한 거동을 충분히 반영하지 못한다는 한계를 갖는다.

수치해석 조건은 Table 2와 같이 대상 지층의 설계지반정수를 적용하였다. 매립층 및 연약점토층은 삼축압축시험 및 표준관입시험(N치) 결과를 바탕으로 단위중량, 탄성계수, 포아송비, 점착력, 내부마찰각을 산정하였으며, 매립층은 γ = 17.5 kN/m³, c = 4 kPa, φ = 25°, E = 11.5 MPa, ν = 0.35를 적용하였다. 연약점토층은 γ = 17.0 kN/m³, c = 31.5 kPa, φ = 1.0°, E = 11.5 MPa, ν = 0.40로 입력하였다. 흙막이 벽체는 구조물 요소로 등가 강성을 반영하였으며, 하부 풍화암층은 상대적으로 높은 강도와 강성을 고려하여 γ = 20.5 kN/m³, c = 30.0 kPa, φ = 31.5°, E = 230.0 MPa, ν = 0.31을 적용하였다. 해석방법은 단계굴착(step-by-step excavation) 기법을 적용하여 시공순서를 반영하였으며, 굴착단계별 토압 재분배 및 흙막이 지지조건 변화를 모사하였다.

따라서, 본 연구에서 수행한 해석은 Mohr-Coulomb 모델의 단순화된 거동 가정과 더불어 인접 구조물 및 지하수 변동을 배제한 조건 하에서 이루어졌으므로, 수치해석 결과에는 침하 영향을 과소평가하거나 과대평가할 가능성이 내재되어 있다. 이를 고려하여 해석영역은 수직구 굴착깊이의 2.0H 이상으로 설정하였으며, 경계조건은 하부를 연직변위 구속, 좌우를 수평변위 구속, 상부를 자유면으로 정의하였다. 또한, 수치해석에 따른 검토범위 산정 시에는 지표면 침하의 수렴여부를 우선 판단하고, 수렴 판정이 어려운 경우에는 지하안전평가서 표준매뉴얼(MOLIT, 2024)에서 제시하는 침하 허용기준 25 mm의 10%인 2.5 mm 침하지점까지를 굴착영향 검토범위로 설정하였다.

본 연구대상인 ○○정거장의 연약지반에 위치한 출입구 개착가시설에 대하여 굴착영향범위를 산정한 결과는 다음 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Excavation influence zone estimation for ○○ station

수치해석에 따른 대상 사업구간의 최대굴착심도를 고려한 지반 검토범위(굴착영향거리)는 다음 식 (5)와 같다.

2.3 굴착영향범위 산정결과

지하안전평가 대상지역 설정시 침하영향범위 산정은 이론 및 경험적 추정과 수치해석을 비교하여 검토하게 되어 있다. 정거장 터널 수직구의 굴착영향범위 검토결과 이론식 및 경험적 방법에 의하여 최대굴착심도의 1.0–4.0배로 검토되었으며, 수치해석에 의한 검토결과 약 1.85배로 산정되었다. 해당 대상사업구간이 매립지였던 과거 지층 이력까지 고려하여 안전측으로 최대굴착심도의 4배까지 설정하였다. ○○정거장의 출입구 수직구의 최대굴착심도는 73.99 m로 굴착영향범위는 295.96 m이다.

이후 3D 침투-응력 연계해석시 4H (H: 최대굴착심도) 이상의 영역을 검토하여 시공단계별 안정성을 검증하였으며, 지하안전확보를 위하여 지하수위계, 지표침하계 추가 배치 등 계측계획을 강화하여 수립하였다.

2.4 굴착영향범위내의 계측계획

지하안전평가서 표준매뉴얼(MOLIT, 2024)에 따르면 굴착공사의 경우 건물경사계 및 균열계의 설치는 흙막이 벽체로부터 1.2H (H: 최대굴착심도)까지를 표준으로 하고 대상지역의 검토범위 내의 주요 구조물(1,2종 시설물) 및 30년 이상 노후 건물이 존재할 경우 추가 설치하도록 제시하였다. 따라서, 기본적으로 1.2H 내에 필요한 계측기를 설치하고 상기 2장에서 검토한 굴착영향범위 4H에 해당하는 범위 내의 1,2종 시설물 및 30년 이상 노후 건물에 건물 경사계 및 균열계를 설치하여 지하안전확보방안을 마련하였다.

해당 굴착영향범위에 지표침하계(▼), 층별침하계(ME), 지하수위계(W), 지중경사계(I), 건물경사계(T), 균열측정계(C)를 설치하였으며, 인접한 기존 토목시설물인 인천1호선은 주요 구조물이므로 실시간 계측이 가능한 자동화계측으로 도상침하계(B), 진동측정계(V), 건물경사계(EL), 균열측정계(CA)를 추가 배치하여 Fig. 4와 같이 계획하였다.

Fig. 4.

Establishment of instrument installation plan within excavation impact range

3. 지하공동조사 3D GPR 탐사

지하안전평가서 표준매뉴얼(MOLIT, 2024)상 과업부지 주변에 분포하는 지장물과 공동의 분포현황을 파악하기 위하여 3D GPR (지표투과레이저) 탐사를 수행하도록 되어 있어 2.3절에서 검토된 굴착영향범위를 고려하여 검토하였다. 3D GPR 탐사 장비는 Fig. 5와 같으며, 탐사위치도는 Fig. 6과 같다. 인천 ○○구의 107,134 km GPR 탐사결과는 Table 3과 같이 총 공동 13개소가 발견되었다.

Fig. 5.

3D GPR exploration equipment

Fig. 6.

3D GPR exploration route map (○○-gu, Incheon)

공동규모 및 등급 검토결과 예시도는 Fig. 7과 같으며, 그 중 공동 1번의 규모 및 등급은 Table 4와 같다.

Fig. 7.

Cavity size and risk grade (example: Cavity No. 1)

공동의 등급분류는 Table 5와 같이, 서울시 안전총괄본부 도로관리과에서 제시한 공동의 위험등급 4가지를 따르며, 긴급복구, 우선복구, 일반복구, 관찰로 분류된다.

인천 ○○구에서 분석된 공동 13개소 중 우선(2개소: GB-01, 02), 일반(10개소: GB-03, 04, 05, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13), 관찰(1개소: GB-06)으로 분석되었으며, 해당 조사결과는 관계기관에 사전공지하여 행정조치하였다.

Table 5.

Cavity risk grade classification - Seoul Metropolitan Government

Grade	Definition	Classification criteria	Repair timeline
Emergency  repair		• Top cover depth ≤ 20 cm and asphalt thickness ≤ 10 cm • Surface crack depth ≥ 50% of pavement	Repair must be  performed  immediately or  within 4 hours
Priority  repair		• Top cover depth 10–30 cm and asphalt thickness 10–20 cm • Cavity width ≥ 150 cm • Crack depth 10–50%	Prompt repair  required with  short-term  planning
General  repair		• Cavities not classified as Emergency, Priority, or Observation grades	Repair to be  completed before the rainy season or  as scheduled
Observation		• Top cover depth ≥ 40 cm or asphalt thickness ≥ 30 cm • Cavity average width < 80 cm	Recommended  repair before rainy season or by next  inspection cycle

4. 하수관로 CCTV 조사

지하안전평가서 표준매뉴얼(MOLIT, 2024)상 지하매설물에 대하여 택지개발지구 등 불필요한 구간을 제외하고 착공전 개발사업자 및 지하매설물 CCTV 관리자 주관으로 확인토록하며 준공시 제출되는 조사자료와 착공전후에 대한 차이를 분석해야한다고 명시되어 있다. 착공전 사업주 및 시공사(현장대리인) 주관으로 지하매설관로 내부조사(하수관로 등)를 수행하여야 하며, 조사결과 공동발생 혹은 지반침하 우려가 있는 경우 관계기관과 협의를 통하여 조사결과 발견된 이상징후(공동발생, 지반침하가 우려되는 경우 등)에 대해서는 착공전 보수공사 또는 관거 정비 등의 방법으로 지반침하의 발생 원인이 될 수 있는 요소를 제거한 후 굴착공사를 수행하고자 한다.

4.1 하수관로 CCTV 조사장비 구성

하수관로 CCTV 조사는 Fig. 8과 같은 카메라가 장착된 촬영장치를 하수관로 내부로 진입시켜 영상을 촬영하여 하수관로 내의 결함항목을 찾아낸다.

Fig. 8.

Sewerway CCTV surveillance equipment

4.2 하수관로 CCTV 조사대상구간

상기 2.3절에서 기술한 굴착영향범위 4H에 해당하는 영역에 대하여 CCTV 조사를 수행하였다. CCTV 촬영이 가능한 D300 mm 이상 오수관, 우수관을 대상으로 하였고, 맨홀을 이용하여 CCTV를 투입하여 촬영하므로 촬영 소요시간은 10–30분정도 소요된다. 사업구간(인천시 ○○구)에 분포하는 하수관로 CCTV 조사위치는 아래 Fig. 9과 같으며, 조사측선의 일부를 나타냈다. 하수관로 CCTV 조사결과는 Fig. 10의 사진과 같이 확인가능하며, 하수박스 및 하수관로 내부의 상태를 확인할 수 있다.

Fig. 9.

CCTV surveillance location map

Fig. 10.

CCTV survey results (sewage box and sewage pipes)

인천 ○○구에 굴착영향범위 내의 하수관로 조사결과 관로균열(2개소), 파손(8개소), 이음부 단차(15개소), 이음부손상(26개소), 토사퇴적(7개소), 기타(18개소) 등이 발견된 개소는 총 76개소이며, 해당 조사결과는 관계기관에 사전공지하여 행정조치하였다.

5. 결 론

본 연구는 연약지반과 매립층이 복합된 인천 ○○지역의 도심지에 위치한 대심도 터널 정거장 공사에 대하여 지반침하 예방을 위한 통합적 설계 및 조사 결과를 제시하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

1. 굴착영향범위 산정 : Peck (1969), Caspe (1966), Clough and O’Rourke (1990) 등의 경험식을 기반으로 이론적 굴착영향거리를 산정하고, MIDAS GTS NX를 활용한 2D 수치해석을 통해 굴착에 따른 실제 침하 영향을 분석하였다. 분석 결과를 종합하여 최대굴착심도의 4배(4H)를 굴착영향범위로 설정하였다.

2. 계측계획 수립 : 산정된 영향범위(4H) 내 주요 시설물 및 노후 건축물에 대해 지표침하계, 지하수위계, 지중경사계, 건물경사계, 균열측정계 등을 설치하였으며, 인접 도시철도 시설물에는 자동계측 시스템을 별도 설치하여 실시간 모니터링이 가능하도록 계획하였다.

3. 지하공동 3D GPR 탐사 : 굴착영향범위 내 도로 및 구조물 구간에 대해 3D GPR 탐사를 수행한 결과, 총 13개소의 공동이 확인되었으며, 이 중 2개소는 ‘우선복구’ 등급으로 판정되어 관련 기관에 즉시 행정조치를 시행하였다.

4. 하수관로 CCTV 조사 결과 : D300 mm 이상의 오수관 및 우수관을 대상으로 실시한 CCTV 조사 결과, 균열, 파손, 이음부 단차 및 토사 퇴적 등 총 76개소의 이상 항목이 확인되었으며, 모든 이상 징후에 대해서는 착공 전 보수공사 및 정비계획을 수립하여 지반침하 원인을 사전에 제거하였다.

5. 지하안전 확보 방안 : 굴착영향범위 산정을 기반으로 한 계측계획 수립, 공동 탐사, 하수관로 조사 등의 통합적 안전확보 전략은 연약지반 조건 하의 도심지 터널공사에 있어 필수적이며, 본 사례는 유사 지반조건에서의 설계 및 시공 안전성 확보에 참고 가능한 모델로 활용될 수 있다.