< Previous해외전문가기고108 자연,터널그리고 지하공간1. Triangular prism of failure in front of excavation2. Rectangular prism of failure on top of the front of excavation3. Rectangular prism above the Tunnel crownD: Tunnel widthA: Tunnel HeightH: Depth to the Tunnel CrownL: A tan (45-φ/2)a: Supported Section b: Unsupported Section45°- φ/2(a)(b)<Figure 5> Failure Mechanism for the Simplified Method (a) three zones and (b) Force EquilibriumVol. 21, No. 1 109Simplified Failure Mechanism for the Prediction of Tunnel Crown and Excavation Front DisplacementsFor the preliminary design of the tunnel section, the initial excavation was designed based on the soil information determined from the design stratigraphy. From the design stratigraphy, soil strength parameters were selected to be used in the preliminary crown deformation calculations, Figure 6.The layout of the proposed tunnel excavation is matched with the design stratigraphy, Figure 6, to observe changes in soil layers and properly select the design approach. It is noted that for the crown deformation calculations, the failure zones 2 and 3 comprise a weaker soil compared to those existing in the from of the excavation (i.e. triangular Zone 1).<Figure 6> Design Stratigraphy and soil parameters for calculations해외전문가기고110 자연,터널그리고 지하공간The analysis shown in this manuscript was used as a quick check prior to generating precise and thorough calculations using finite element models. Therefore, for simplicity, soil strength weighted average parameters were used to determine the undrained cohesion and the internal angel of friction resulting in 5.07ton/m2 (1ksf) and 21.5°, respectively.Two types of deformations were determined with their corresponding pressure. The first deformation is for the tunnel crown without the temporary shotcrete to predict possible deformations prior to the shotcrete process. The second deformation is determined for the front of the excavation with its corresponding pressure. The calculation process consisted of the determination of the effective vertical stress at the depth of the tunnel crown. The tunnel crown is located at a depth of 16m (53ft) below the ground surface and the centerline of the tunnel is located at a depth of 22.5m (74ft) below ground surface. Therefore, the effective vertical stress at the crown elevation and the tunnel centerline was determined to be 23.55ton/m2 (34psi) and 34.60ton/m2 (49psi), respectively. After determining the effective vertical stresses, stresses acting at the crown, Pa, and the excavation front, Paf, are then obtained using the following expressions: sin (1) tan (2)Where is the soil unit weight, is the internal angle of friction, c is the cohesion, H0 is the distance from the surface to the tunnel crown, H is the distance from the ground surface to the horizontal centerline of the excavation front, and D is the tunnel section diameter.Corresponding displacements can be determined for the tunnel crown, , and the excavation front, , using the following expressions: (3) (4)Vol. 21, No. 1 111Simplified Failure Mechanism for the Prediction of Tunnel Crown and Excavation Front Displacements sinsin (4a) sin sin (4b)Where is the Poisson’s ratio; and all other parameters have been previously defined. With equations 1 to 4 the corresponding deformations for the crown and the excavation front were determined to be 3.5cm (1.4in) and 6cm (2.4in), respectively. These values were further verified using finite element analysis including various defined soil constitutive models. The main advantage of a simplified method is to obtain index results prior to the development of rigorous models. These values can be used for preliminary assessments and selection of monitoring and instrumentation for the final construction project. It is important to note that many of the soil parameters selection requires in-depth engineering knowledge regarding the local subsurface conditions. However, it is still a reliable approach to obtain preliminary data. 5. SummaryThis case study presented a simplified failure mechanism approach used as a preliminary deformation prediction for the Mexico City’s metro system expansion. Because of the Mexico City’s difficult subsoils, Line 12 project was considered one of the most challenging projects in Mexico. Mexico City’s subsurface conditions can be described as a multilayered stratigraphy changing from soft high plastic clays to dense to very dense cemented sands. The Line 12 trajectory crossed all three main geotechnical Zones in Mexico City. Starting from to west of the City, Line 12 was projected to pass through very dense cemented sands corresponding to the Foothills zone changing to the Transition zone and finalizing in the Lake zone. Due to the change in the subsurface conditions, different constructions methods were implemented including the use of TBM (Tunnel Boring Machine), the NATM (New Austrian Tunneling Method), and cut-and-cover using braced Diaphragm walls for the underground section of the project.Preliminary crown and excavation front deformations were determined using a simplified failure mechanism prior to performing finite element modeling and analysis. Results showed corresponding deformations for the crown and the excavation front to be 3.5cm (1.4in) and 6cm (2.4in), respectively. Considering the complexity of Mexico City’s difficult subsoil formation, construction method selection becomes a challenge to overcome. 해외전문가기고112 자연,터널그리고 지하공간The use of a preliminary results in order to have a notion of possible deformations prior to advanced modeling and analysis could be beneficial and helpful to select possible construction procedures.References1. American Public Transportation Association (2014). https://www.apta.com/Pages/default.aspx.2. González, E. T., Holguín, E., & Núñez, J. L. R. (1997). Diseño geotécnico de túneles. TGC Geotecnia.3. Marsal, R. J., Mazari M (1975). The lacustrine clays of the Valley of Mexico. Instituto de Ingeniería México, Vol. 16, Universidad Nacional Autónoma de México.4. Rosenblueth, E., & Ovando, E. (1991). Geotechnical lessons learned from Mexico and other recent earthquakes. In Second International Conference on Recent Advances in Geotechnical Engineering and Soil Dynamics: Saint Louis, Missouri, U.S.A., II, pp. 1799-1819.5. Santoyo, E., & Ovando-Shelley, E. (2004). Geotechnical considerations for hardening the subsoil in Mexico City’s Metropolitan Cathedral. In Advances in geotechnical engineering: The Skempton conference: Proceedings of a three-day conference on advances in geotechnical engineering, organised by the Institution of Civil Engineers and held at the Royal Geographical Society, London, UK, 29–31 Mar 2004, pp. 1155-1168.6. Secretaria de Comunicaciones y Transporte (2016). https://www.metro.cdmx.gob.mx/la-red/linea-12-2.7. Zeevaert, L. (1983). Foundation engineering for difficult subsoil conditions. Van Nostrand Reinhold (VNR) Company.[This article is composed entitely based on the authors’ opinion and does not have any relation to do with the Korean tunnelling and underground space association’s official stance.]Vol. 21, No. 1 113고민과 다짐학부를 졸업하고 직장생활을 시작한 후 한 동안 나는 매우 즐거운 날들을 보내고 있었다. 학부에서 글로만 접했던 이론들이 실무에서 사용되는 것을 이해하는 것도 매우 즐거운 일이었고 무엇보다 그 이론들의 집합체인 수치해석 프로그램을 새롭게 배우는 것은 더 할 나위 없이 즐거운 일이었다. 그렇게 일을 배워가는 재미에 빠져 있으면서 동시에 수치해석을 수행함에 있어 그 이론적 깊이에 대한 목마름이 찾아왔다. 수치해석 프로그램의 기능적인 면보다 그 결과를 판단하고 원인을 분석할 수 있는 이론적 배경에 대한 목마름이었다. 대학원을 알아보기 시작했고 지금의 지도교수(서울과학기술대학교 이용주 교수)님을 만나 석사과정을 시작하였다. 지도교수님께서는 말뚝-터널 상호거동에 대해 많은 연구를 수행하고 계셨고, 자연스럽게 나 또한 이 분야에 대해 연구를 수행하게 되었다. 갓 입학한 저에게 교수님께서는 기존문헌 연구에 대해 강조하셨고, 매주 연구진행회의를 준비하면서 관련분야의 기존문헌과 수치해석 프로그램의 reference manual에 대해 하나하나 배울 수 있었다. 처음 연구진행회의를 시작할 때에는 직장생활에서도 경험해봤기에 자신도 있었고 어렵지 않을 거라고 예상했다. 하지만, 하나하나 공부해 가면서 전혀 생각지도 못한 교수님의 질문은 나를 절망에 빠뜨리기 충분했다. 정확히 말하면 내가 모르는 것만 질문하셨고, 내가 놓친 것만 질문하셨다. 내가 모르는 것이 많다고 생각해 대학원에 왔지만 그렇게 많은지는 몰랐다.수치해석 프로그램은 –신종호 교수님(건국대학교)께서 집필하신 저서 「지반역공학 I, II」에도 말씀하셨듯이- 작은 실험실 같았다. 대상 지반, 구조물 형상, 지반의 구성모델, 물성치, 지하수위 조건 등을 어렵지 않게 바꿀 수 있었고 그에 따른 결과를 통해 경향을 유추하는 등 수치해석 프로그램을 통해 많은 것을 상상하고 실행할 수 있었다. 이러한 모든 과정을 실내모형시험으로 수행한다는 생각이 문득 들 때마다 아찔함과 동시에 수치해석 프로그램을 개발하고 발전시킨 국내외 많은 선배님들께 감사한 생각이 들었다(그림 1-2). 지하철을 타고 집에 가는 길에 상부구조물을 생각하기도 하고, 고민과 다짐오동욱서울과학기술대학교 토목공학과 박사과정학생기고114 자연,터널그리고 지하공간수치해석 단면을 그려보기도 하였다. 기존문헌의 이런저런 가정조건들을 생각하며, 그 조건을 극복하기 위해 필요한 것이 무엇인지에 대한 고민도 하였지만, 쉽사리 해결되지 않는 어려움이 하나 있었다. 그것은 바로 많은 연구결과를 실무에 적용하기 위한 방법이었다. 정돈된 실내모형시험과 수치해석은 실제 현장과 많은 차이를 보인다. 무엇보다 중요한 것은 실내모형시험 조차도 수치해석에서처럼 모든 위치에서 동일한 물성치를 갖는 것은 매우 힘들며, 이러한 현장은 실제 존재하지 않는다고 해도 과언이 아니다는 것이다. 이러한 괴리감을 최소화하여 연구결과가 실제 현장에서 유의미하게 사용되는 방법에 대해 많이 고민하게 되었다. 하지만, 이를 위해서는 많은 현장데이터가 필요하였지만, 이를 구하는 것은 쉽지 않았다. 무엇보다 우리 공학자들에게 오답노트와도 같은 피해사례는 그 자세한 자료를 찾기 매우 힘들었다. 이러한 수치해석의 한계점에도 불구하고 수치해석은 설계 및 시공과정에 널리 사용되고 있다. 한계점은 분명하지만 한편 생각하면 ‘세상에 완벽한 기술이 어디 있겠나’ 싶기도 하다. 즉, 수치해석의 한계를 극복하기 위한 가장 빠른 해결책은 외부적인 요인이 아닌 나 자신의 노력 여하에 달려있다고 생각하게 되었다. 이러한 수치해석 프로그램을 충분한 역량을 가진 사용자가 활용한다면 한계점을 최소화하고 실제 현장에서 발생할 수 있는 문제점을 사전에 예방할 수 있는 최고의 tool이 될 수 있다고 확신한다. 필자도 그러한 역량을 갖추기 위해 꾸준히 노력하여 선배 기술자들의 뒤를 잇고, 후배 기술자들을 끌어주는 터널인으로서 역할을 할 수 있는 날을 기대하며 이 글을 마치고자 한다.<그림 1> 실내모형시험 및 사진계측 전경<그림 2> 3차원 유한요소해석 meshVol. 21, No. 1 115도시철도, 지하공간시대를 열다미노타우로스는 테베의 처녀 몇 명이면 족하지, 하지만 지하철은 잠에서 덜 깬 처녀를 수천명씩 요구한다구...... 검은 연기를 내뿜으며 땅속을 달리는 지하철을 보며 발터 벤야민은 노골적인 불만을 표시했다. 그러나 현대의 도시철도를 보면 벤야민의 생각도 좀 바뀔 것이다.도시철도, 도시를 탈바꿈하다지하철(Subway)은 지하공간에 만들어진 철도라는 뜻에서 붙여진 이름이지만 보편적으로는 도시철도(Metro)로 부른다. 구축되는 공간의 규모나 공사과정의 특수성으로 인해 도시철도는 지하공간의 중요한 축으로 볼 수 있다. 현대의 도시철도는 단순한 교통수단을 넘어 도시민의 생활패턴까지 바꾸어놓고 있다. 도시철도가 건설되기 전 도심의 빌딩 지하공간은 기계실이나 창고 또는 주차장으로 활용되었다. 그러나 지금은 도시철도 정거장과 직접 연결됨으로서 음식점 상가 위락시설로 탈바꿈되고 있다. 도시철도, 지하공간시대를 열다런던 최초의 지하철공사김재성(주)동명기술공단 부사장116 자연,터널그리고 지하공간인문학 산책도심에 거미줄처럼 얽혀 미관을 저해하던 전선이 사라진 것도 도시철도와 함께 만들어진 공동구에 전력선이나 광케이블을 수용할 수 있었기 때문이다. 도시철도의 가장 중요한 특징 가운데 하나는 정시성(正時性)이다. 이동시간 예측이 가능하다는 것은 출퇴근이나 회의 행사 등 도시민의 삶을 안정되게 한다. 이외에도 도시철도는 안전성 신속성 편이성 등에서 다른 교통수단에 비해 월등하게 앞선다. 최근에는 단순한 교통수단이 아니라 삶의 질을 향상시키는 휴식공간 전시공간으로 탈바꿈하면서 새로운 문화공간으로 자리매김하고 있다.미궁속의 미노타우로스 도시철도의 역사는 1863년 영국 런던에서 시작되었다. 이후 1875년에 터키 이스탄불에 1896년 헝가리 부다페스트에 도시철도가 개통되었지만 증기기관으로 운행되었기 때문에 사정은 그리 좋지 않았던 듯싶다. 당시 런던 타임즈 기사를 보면 석탄 연기에 그을린 시민의 불만이 그대로 드러나 있다. 그럼에도 런던 도시철도는 개통하자마자 하루 26,000명이 이용하는 교통수단이 되었다. 파리는 런던에 이어 두 번째로 도시철도를 개통하였다. 발터 벤야민은 아케이드 프로젝트에서 지하공간에 대한 부정적 인식을 노골적으로 드러내며 도시철도를 미노타우로스 신화의 황소로 바라보았다.또 다른 갤러리가 파리의 지하로 뻗어나가고 있다. 여기서는 밤이면 불빛이 환하게 켜지면서 황천으로 내려가는 길을 가르쳐준다. 전차의 라이트가 켜지면 지하철역은 하수구의 신이나 카타콤베의 요정으로 바뀐다. 이 미궁은 한 마리가 아니라 수없이 많은 맹목적이고 광폭한 황소를 키우고 있다. 미노타우로스에게는 테베의 처녀를 몇 명만 던져주면 되지만 지하철에 사는 황소에게는 매일 아침마다 수천 명을 던져 주어야 한다. 창백한 안색으로 바느질하던 여자나 채 잠이 덜 깬 점원들을.<발터 벤야민, 아케이드 프로젝트1권. C1a 2>그러나 벤야민의 걱정에도 불구하고 도시철도는 이미 세계 대도시에서 가장 중심적이면서도 편리한 교통수단으로 자리 잡았다. 가장 먼저 도시철도를 만든 런던의 488km를 비롯하여 서울 뉴욕 동경 등 세계 대도시들이 300km 이상의 도시철도망을 구축하고 있고 계속 빠르게 늘어나는 추세다. 도시철도는 도시교통의 중요한 축이기도 하지만 한편으로는 도시발전의 촉매제가 되기도 한다. 런던이나 파리의 도시철도는 다른 교통수단에 비해 빠르게 목적지에 도착할 수 있다는 점 외에는 많은 불편함을 안고 있었다. 벤야민이 로마의 지하무덤인 카타콤베나 미노타우로스의 미궁으로 비유하는 것도 무리가 아닐 것이다. 그러나 지금은 이러한 문제점은 거의 개선되었고 눈부시게 변모해 나가고 있다.도시명최초개통총연장노선수런던186348811파리190020815뉴욕190436825동경192730413모스크바193530112상해199542510서울197433011세계 대도시 도시철도 현황Vol. 21, No. 1 117도시철도, 지하공간시대를 열다런던, 도시철도 시대를 열다.영국에는 런던과 다른 도시를 연결하는 6개 철도 노선이 운행 중에 있었다. 그러나 종착역1)은 런던 중심부의 오래된 건축물로 인해 외곽부에 위치할 수밖에 없었다. 이 때문에 산업혁명과 눈부신 기계문명을 자랑하던 런던이었지만 시내에서 움직이려면 걷거나 마차를 타는 게 고작이었다. 2000년 전 로마시대와 다를 바가 없었다. 런던이 1830년부터 외곽 6개 정거장을 연결하는 도시철도망을 구상한 것도 이러한 사정 때문이었다. 그러나 이 계획은 기술적인 한계와 재정문제로 지연되다가 1863년에 가서야 개통하게 되었다. 이 도시철도는 영국 전체에 잘 갖추어져 있던 간선철도를 서로 연계시켜주는 역할에 초점이 맞추어져 있었다.런던은 이후에도 계속 도시철도를 건설하여 1884년에는 런던의 내부순환선을 완성하였다. 그중에서 템즈강 하부를 터널로 통과하는 와핑(Wapping)과 뉴크로스(New-cross) 정거장 구간은 터널의 역사에서 매우 중요한 의미를 가진다. 지반이 연약하고 큰 수압이 작용하는 강 하부를 터널로 뚫는다는 것은 당시 기술로는 상상할 수 없는 일이었다. 그러나 브루넬(I.K. Brunel)은 쉴드라는 새로운 방법을 찾아내었다. 나무를 갉아먹으면서 파고들어가는 좀조개2)에서 아이디어를 얻어 강제박스를 밀고 들어가면서 터널을 굴착한 것이다. 이 터널은 1843년 건설 당시에는 보도용으로 만들어졌다가 도시철도 터널로 확장되었다. 초기 도시철도는 땅을 파고 콘크리트로 구조물을 만든 후 다시 덮는 개착식 공법이 주로 적용되었다. 현재는 토류판과 버팀보로 흙막이를 하고 땅을 파내려 가지만 이러한 기술이 없던 당시에는 공사과정에서 건물이 붕괴되는 등 많은 어려움을 겪었다. 운행되는 열차가 석탄을 사용하는 증기 기관차라는 것도 문제였다. 재료강도의 한계와 비용절감을 위해 터널은 거의 튜브3)라고 할 정도로 좁게 만들어졌는데 이로 인해 터널 통과 시 승객들은 심리적 폐쇄감과 함께 석탄의 연기 분진으로 많은 어려움을 겪었다. 개착식 터널이어서 비교적 환기장치를 많이 만들긴 했지만 터널 안에서 기차가 멈추면 바로 재난으로 이어질 수도 있었다.1) 런던과 영국의 각 지방을 연결하는 6개 노선의 종착역은 런던 외곽에 설치되어 있으며 이름은 각각 런던브리지, 유스턴, 패딩턴, 킹스크로스, 비숍스게이트, 워터루 정거장이다.2) 좀조개(Shipworm). 목재를 파먹으며 사는 패류. 좌우대칭의 껍데기를 맞물려 나무를 갉아내고 점액을 분출해 통과한 구간을 단단하게 만드는 과정이 현대 터널굴착장비인 쉴드 TBM의 원리와 흡사하다.3) 런던 도시철도는 튜브(Tube)라는 애칭으로 불리는데 이는 터널 형태가 원통모양이어서 붙여진 것이다.공사중인 템즈터널Next >