< Previous38 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1도봉산-옥정 광역철도 건설공사 중 Recharge well 공법을 이용한 터널 및 개착정거장 주변 구조물 침하방지 대책상세 지반조사 결과, 과업노선 시점부에 심층풍화대가 국부적으로 깊게 분포하고 있으며, 이는 수락산 지류에서 발원한 부용천 및 포천단층, 부속단층에 기인한 자색 화강암의 열수변성에 의한 영향으로 판단된다. 심층풍화대 통과 시 지하수위 저하 최소화 및 회복 대책을 적용하여 연도변 구조물 침하를 억제하고 안정을 도모함으로써 민원예방에 적극적으로 대처하도록 계획하였다.수리분석을 수행한 결과, 굴착 중 지하수 유입수량은 개착구간에서 0.22m3/day, 터널에서 7.25m3/day로 산정되었으며, 이를 토대로 지하수위 저하 예상구간에 대한 Recharge well 배치는 21공(C.T.C. 10m, L=40m)으로 계획하고, 일일 주수량은 7.77m3/day(0.37m3/day,공 × 21공)로 계획하였다.3.4 지하수위 회복을 위한 Recharge well 적정성 검토3.4.1 Recharge well 계획기존사례 및 대상지반의 투수계수에 기반한 침투율 산정 후 공간격과 주수량을 결정하여 설계에 반영하였으며, 광역지하수 유동분석을 통해 Recharge well공법 적용에 따른 주변 지하수위 회복을 검증하였다(그림 17). 표 4 Recharge well 설계적용 사항이다.<그림 17> Recharge well 계획<표 4> Recharge well 설계적용 사항구분기 존 사 례설 계 적 용 비고설치위치대상건물 전면, 흙막이 배면 3m 이상 이격공간격5m10m침투율20~120m3/day,공0.37m3/day,공운영기준∆H(일수위변화) > 1.0m, HT(누적수위변화) > 8mVol. 21, No. 2 393.4.2 Recharge well 적정성 검증광역지하수 유동프로그램(ModFlow-3D)을 이용하여 Recharge well의 적정성을 검토한 결과, 수위회복 영향범위는 노선기준 수위상승 1.0m 영향범위는 약 32m로 확인되었고, 지하수위는 수위상승 0.78m~1.18m, 평균 1.03m 정도 회복된 것으로 분석되었다(그림 18, 그림 19).<그림 18> 수위(상승)회복 영향범위<그림 19> 수위회복 분석4. 결 론Recharge well은 기본적으로 지하수의 흐름이 차단된 상태에서 굴착 공사로 인해 수위가 저하될 경우 수위 회복을 위해 인위적으로 지하 배수층에 물을 공급하는 공법으로 해외에서는 도심지 굴착공사에 지표침하 방지를 위한 대책으로 적용되어지고 있는 공법이다.굴착구간으로 지하수 유입은 흙막이 벽체를 통한 누수와 굴착면 저부를 통한 침투수로 구분되며, 지하수 저하 방지 대책은 아래의 표 5과 같다.<표 5> 지하수 유입 방지대책구분지하수 유입 방지대책비고흙막이 벽체를 통한 누수 방지 대책차수벽체Sheet pileDiaphragm wall차수 그라우팅H-Pile+토류판+차수CIP+차수 그라우팅굴착면 저부를 통한 침투수 방지 대책차수벽체를 불투수층까지 관입차수 Grouting을 불투수층까지 연장40 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1도봉산-옥정 광역철도 건설공사 중 Recharge well 공법을 이용한 터널 및 개착정거장 주변 구조물 침하방지 대책Recharge well 공법은 위의 지하수 저하 방지 대책을 수립하였음에도, 굴착 공사 중 지하수가 저하될 경우 Recharge well을 적용함이 타당하며, 개수식 흙막이 공법의 경우 저하된 지하수위를 Recharge well을 이용하여 회복시키는 것은 불가능할 것으로 판단된다. Recharge well 적용을 위한 지층 조건은 수위 저하에 의한 유효응력 증가로 점토층의 압밀침하가 우려되는 지층 또는, 지하수 흐름으로 인해 토립자 유실에 의한 공동의 가능성이 있는 사질토 지반이다.지하수 재주입과 관련된 국내의 법령과 기준은 없는 상태이므로 공사중 지하수 재주입과 관련된 법적인 기준이 마련되어야 할 것으로 판단된다.참고문헌1. 서울특별시, 2016, 공사장 지하수 관리 매뉴얼.2. 위용곤, 나승훈, 김익형, 노재호, 2011, 싱가포르 DTL2 C913 Project, 자연, 터널 그리고 자연공간, Vol. 13, No. 1, pp. 27~34.3. 방준호, 2011, 싱가포르 도심지하철 2단계 921공구 현장탐방, 건설기술 쌍용, pp. 47~54.4. 김용철, 2015, 지하수 인공함양 국내 ‧ 외 추진현황 및 수질관리 필요성, 환경공단 지하수 수질관리 심포지움.5. 신은철, 박춘성, 2017, 지반함몰 방지를 위한 지하수 재주입 실험적 연구, 한국지반환경공학회 논문집, pp. 35~43.6. http://conpaper.tistory.com/38934.[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 21, No. 2 41기술기사 21. 개 요본 과업은 ○○지역에 설치되는 ○○공항 전면시설 공사로서 전면시설 선큰지역은 저지대(EL.-1.7m)에 계획되어 있다. 본 지역의 지반조사 결과 지층조건은 투수계수가 비교적 큰 퇴적층으로 형성되어 있어 홍수시 및 집중강우, 지속강우 등의 조건시 일시적인 지하수위 상승으로 침수발생 가능성이 있다. 지층특성 및 수리학적 특성에 따른 지하수 유동 등의 검토를 통해 전면시설 내 지하수 흐름, 방향, 유입량 등 지하수 영향 검토가 필요할 것으로 판단된다.따라서 이러한 제반조건을 반영하여 3차원 지하수 거동 분석을 통해 전면시설 굴착시 및 운영시 원활한 배수 및 차수대책을 수립하고자 한다.○○공항 전면시설 굴착에 따른 3차원 지하수거동 분석 사례윤일병셀파이엔씨(주) 전무이사곽정하셀파이엔씨(주) 대표이사42 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2○○공항 전면시설 굴착에 따른 3차원 지하수거동 분석 사례2. 과업구간 현황 및 지질특성 분석2.1 전면시설 현황<그림 1> 과업구간 현황본 ○○공항 전면시설 공사범위는 지하역사, 단기주차장, 조경부지 조성공사, 전면시설 굴토 및 파일공사 등으로 구성되어 있고 주요시설은 다음 표 1에 나타나 있다.<표 1> 주요시설시설명연면적(m2)비고철도역사 21,680m2철도승강장, 대합실, 역무시설 등 포함3차원 지하수 영향 분석을 위한 전면시설 굴착깊이는 주차장 EL.-2.9m~3.75m, 공동구 EL.-8.75m, 환기구 EL.-9.72m, 지하역사 EL.-17.9m~18.78m로서 지하역사의 굴착깊이가 가장 깊게 계획되어 있다. 선큰지역내 굴착 및 배수에 따른 차수조건 경계요소 파악을 위한 평면 현황은 그림 2에 나타나 있으며 영구차수벽은 Sheet Pile(H=6.0m), 지하연속벽은 Slurry Wall(H=17.94m~18.78m, 철도지하역사), 임시차수벽 Sheet Pile(H=6.0m, 정거장 및 연결통로 일원)로 계획하였다.Vol. 21, No. 2 43<그림 2> 전면시설 차수평면 현황<그림 3> 임시차수벽 설치 단면도2.2 과업구간 지반조건 분석본 지역의 지층분포와 구성 상태를 파악하기 위하여 NX 규격으로 시추조사를 실시하였으며 이와 병행하여 표준관입시험, 현장베인시험, 현장투수시험 등 현장실험을 수행하였고, 불교란 시료와 교란시료를 채취하여 실내역학시험도 실시하였다.지반특성 분석 결과 전면시설부지의 지층 구성은 상부로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암, 연암(or 경암) 순으로 구성되어 있고 2단계와 3단계 제2여객터미널 부지의 연암층 2m까지의 조사심도는 전반적으로 유사한 지층상태로 나타나며, 44 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2○○공항 전면시설 굴착에 따른 3차원 지하수거동 분석 사례남서측 방향으로 갈수록 기반암의 심도가 깊어지는 경향을 보이고 있다. 연약층은 2단계에서 연약지반의 N치는 0~6범위이며, 3단계의 N치는 2~6 범위로 나타나 지반개량으로 인해 강도가 증가된 것으로 보이며, 3단계의 연약층 심도가 평균 1.7~2.6m이하로 층후가 감소한 것으로 나타났다(무처리 구간 제외).3단계 부지특성은 연약층 상부에 암버력 다짐에 의해 매립된 지층으로 연약지반 개량 완료 후 Preloading 여성토가 제거되어 정지 상태로 상당시간 경과되었다.본 지역의 지하수위는 계절별 변화가 있고 강우시 지하수위 상승은 주변의 지형조건, 지표상태 등에 따라 상이한 결과를 나타내므로 장기 지하수위의 관찰이 필요할 것으로 판단되어 전면시설지역의 장기 지하수위를 측정하였다.<표 2> 전면 시설지역의 장기 지하수위 측정결과구분지반고(EL.m)초기치(EL.m)12년7월12년8월12년9월7월대비증감측정값(m)측정값(m)측정값(m)3EAT-314.5103.003.022.942.890.113EAT-404.4932.792.832.772.81-0.02<표 3> 수리특성치 설계지반정수구분매립토실트점성토사질토풍화토풍화암연암투수계수(cm/sec)2.0E-013.73E-044.33E-051.20E-032.87E-041.17E-04-3. 3차원 지하수 모델링 분석 3.1 해석프로그램 개요3.1.1 Visual Modflow 프로그램 개요본 해석에서 사용한 VISUAL MODFLOW는 USGS(United States Geological Survey, McDonald and Harbaugh, 1983)에서 개발한 PMWIN(Processing MODFLOW for Windows)으로서 각 부분을 모듈화하여 유한차분법을 적용한 3차원 지하수 거동분석을 위해 널리 사용되는 공인된 프로그램이다. 대수층내의 유동을 소위 Block-centered된 유한차분법 근사식을 적용하여 자유면 대수층, 피압대수층, 혼합대수층의 경우를 모두 처리할 수 있으며, 주 프로그램과 외부로부터의 유․출입원인 관정(well), 충전량(recharge), 증발(evaporation), 배수(drain), 하천(river) 등의 영향을 모사할 수 있는 모듈들로 구분되어 있다.3차원 지하수 유동관련식의 유한차분법에 의한 단순화는 비교적 관련식의 해석이 단순한 장점이 있으나 경계면이 연속적이 아닌 경우의 처리에 문제발생 가능성이 있다. 유한차분법의 해는 PCG(Preconditioned Conjugate Gradient), SIP(Strongly Implicit Procedure), SSO(Slice-Successive Overrelaxation), SOR(Successive Over-Relaxation) 등의 방법으로 구할 수 있다.Vol. 21, No. 2 453.1.2 3차원 지하수 모델링 기본방향수집된 현장조사 및 시험자료를 바탕으로 모델영역내 지하수 유동을 파악하고 전면지역의 굴착에 따른 장기적인 지하수위 변화를 예측한다. 지하구조물 설치를 위한 지하 굴착공사 완료 후 장기적인 지하수위 강하 및 회복을 예측하기 위하여 부정류 흐름해석을 실시함으로써 시간에 따른 지하수위 변화를 예측하고자 하였다. 가시설 법면 굴착(200일), 가시설 벽체 설치후(300일), 전면시설 굴착 후(900일), 되메움 및 가시설 해체(1,100일), 공사완료후 5년 경과(2,900일), 공사완료후 10년 경과(4,750일) 후 지하수위 변동특성 분석 및 예측을 실시하였다.3.2 3차원 지하수 모델링 해석3.2.1 경계조건총 7개의 레이어로 구성된 지층(매립토, 실트, 점성토, 사질토, 풍화토, 풍화암, 기반암) 조건 및 투수계수를 부여하고 경계조건은 고정수두 경계조건을 적용하여 최초 지하수위를 기준으로 굴착 단계별 계획고에 따라 고정수두를 적용하였다.지하굴착을 위해 구간별로 가시설 벽체(영구차수벽 : Sheet Pile(H=6.0m), 임시차수벽 : Sheet Pile(H=6.0m, 정거장 및 연결통로), 지하연속벽 : Slurry wall(H=17.94~18.78m, 지하역사) 차등 적용하였다.3.2.2 지하수 정류보정과업구간내 현장조사시 측정된 지하수위를 강수량과 인근지역에서의 유입·유출에 의한 평시 지하수위로 조정하여 보정하는 작업을 정류보정이라 하며 지하수환경과 오염(1998년, 박영사, 한정상)에 의하면 정류보정 모델에 대한 정량적인 평가는 측정치와 모사치 두 값의 대수차의 평균치로 일반적으로 10% 이내일 경우, 지하수위 정류보정이 매우 양호한 것으로 평가하고 있다.<그림 4> 모델 보정결과46 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2○○공항 전면시설 굴착에 따른 3차원 지하수거동 분석 사례3.2.3 단계별 지하수 유동 분석3.2.3.1 가시설 쉬트파일 및 지하연속벽 설치후 지하수 유동<그림 5> 쉬트파일 및 지하연속벽 설치후 지하수 유동분석 결과선큰지역 EL.+1.70m, 지하역사 EL.+0.30m까지 굴착시 지하수위는 EL.+2.77~+3.14m로 굴착저면보다 상부에 위치하여 굴착중 배수계획이 필요한 것으로 분석되었다.3.2.3.2 전면시설 굴착후 지하수 유동 분석<그림 6> 전면시설 굴착후 지하수 유동분석 결과선큰지역 EL.-9.82m, 지하역사 EL.-18.78m까지 굴착시 지하수위는 EL.-4.43~-18.78m로 굴착저면보다 상부에 위치하여 굴착중 배수계획이 필요한 것으로 분석되었다.Vol. 21, No. 2 473.2.3.3 공사완료 후 10년 경과시점 지하수 유동 분석<그림 7> 10년 경과시 지하수 유동분석 결과선큰지역 및 지하역사 부지고 EL.-1.70m로 10년 경과시 지하수위는 EL.-4.02~-4.86m로 부지고보다 하부에 위치하는 것으로 분석되었다.4. 배수대책 수립4.1 배수공법 선정<표 4> 여객터미널 영구배수공법구분 1단계 여객터미널2단계 탑승동, 3단계(여객터미널)영구배수 공법 상세도Ø200 유공관바닥 SlabPolyethylene Film (t=0.1) 2겹버림콘크리트 (t=100)자갈 (max. Ø25)쇄석 (Ø40, t=300)모래 (t=700)Filter Fabric (토목섬유 1겹)원지반500VAR.100300200500150800500150Filter Fabric (토목섬유 1겹)Ø200 다발관바닥 SlabPolyethylene Film (t=0.1) 2겹버림콘크리트 (t=100)쇄석 (Ø40, t=500)Filter Fabric (토목섬유 1겹)원지반VAR.100500150800500150Filter Fabric (토목섬유 1겹)강자갈(Ø25, t=500)적용- 모래 배수층(두께 700mm), 쇄석배수층(Φ40, 두께 300mm)- 트렌치내 자갈(Φ25, 두께 500mm) 및 Φ200유공관 설치- 쇄석배수층(Φ40, 두께 500mm)- 트렌치내 강자갈(Φ25, 두께 500mm) 및Φ200다발관 설치- 차수용 Sheet Pile 사장Next >