< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 2. 터널 계획 현황 2.1 노선 계획 ○○고속도로 건설공사 ○○공구의 경우 하남시와 서울시 강동구를 통과하는 노선이 필요하였으며 폭 70m인 동남로 하부에 장래 건설예정인 지하철 9호선과 병행이 가능한 터널계획이 수립되어야 했다. 최초 계획은 2-Arch 터널로 검토 되었으나 중앙터널 벽체부 누수문제와 더불어 Pilot 터널 시공에 따른 공기문제로 인해 근접병설터널로 계획이 변경되 었다. 하지만 지하철과 병행되는 1.7km구간은 확보 가능한 필라폭이 4.6~8.0m 정도로 유사사례를 찾기 어려운 도심지 내 초근접 병설터널의 계획 및 시공이 불가피한 실정이었다. 고속도로 노선현황 지하철 9호선 4단계 노선현황(기본계획 단계) 지하철 병행통과 <그림 1> 고속도로 및 지하철9호선 4단계 노선계획 현황Vol. 21, No. 3 39 2.2 종단 선형 계획 고속도로 터널의 종단경사는 차량의 주행성능 및 매연발생량과 직접적인 관련이 있으며 일반적으로 종단경사가 작아 질수록 속도 유지가 원활하고 오염물질 발생이 줄어들게 된다. 하지만 터널의 종단경사가 낮아지게 되면 상대적으로 저 토피 구간 통과가능성이 높아지게 되므로 기능성과 안정성을 모두 만족할 수 있는 종단경사의 선택이 매우 중요하다 할 수 있다. ○○○○터널의 경우 종점부에 한강이 위치하고 있어 일반적인 고속도로 터널에서 보기 힘든 U형의 종단계획 이 필요하였으며 Smart 고속도로의 취지에 부합할 수 있도록 종단경사를 최소화하면서도 안정성을 확보할 수 있는 종단 선형이 필요하였다. 이에 따라 기본조사 당시 (-)2.5%→(-)2.0%→(+)2.0%의 종단경사계획은 최종적으로 (-)2.18%→ (-)0.7%→(+)1.99%로 결정되었다. 종단선형 계획 천호대로 및 공장지대길동생태공원 한영외고 및 주거밀집지역 <그림 2> 고속도로 종단경사 및 주요 저토피 통과구간 대표적인 저토피 취약 구간으로는 천호대로(H=15.2m), 길동생태공원(H=13.0m), ○○빌라(H=18.7m) 등이 있으며 본선 터널의 폭이 약 15.9m이므로 최소 토피고는 약 1.0D(터널직경) 정도로 통상적으로 저토피 터널(<1.5D)로 구분될 수 있는 구간이 다수 존재하고 있다. 저토피 구간 통과를 위해 소․대구경(직천공) 강관다단 그라우팅, 미니파이프루프, 다분할 굴착, 굴진장 축소, 선대구 경 심발 및 차수공법 등을 적용하여 2019년 9월 현재 별다른 문제없이 성공적으로 굴착을 수행중에 있으며 이러한 배경 엔 안전시공관리 로드맵의 활용이 큰 역할을 하였다.40 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 강관다단 보강그라우팅 제어 발파차수 그라우팅 <그림 3> 주요 보강 공법 2.3 근접병설터널 필라(Pillar) 보강 현황 전술한 바와 같이 ○○○○터널은 근접 병설터널 계획이 불가피하며 아울러 저토피 구간의 연약한 암반층 통과를 고 려할 경우 필라부의 안정성 확보가 매우 중요한 문제 중 하나다. 그림 4에 표시된 바와 같이 터널 전체 연장 3.99km중 약 49.8%인 1.99km 구간이 근접병설터널 구간으로 분류될 수 있으며 주요 필라 보강공법으로는 타이볼트와 강관+강연 선, 강관가압그라우팅, Line drilling 등이 있다. 필라 보강공법 계획 현황 타이볼트강관+강연선 <그림 4> 필라부 보강공법Vol. 21, No. 3 41 3. 지반현황 공사구간은 선캠브리아기 경기변성암 복합체가 분포하며 주요 암종은 호상편마암 및 편암이 주로 분포하고 있다. 총 17개의 단층파쇄대가 예측되었으며 대부분 45~88°의 중․고각으로, 폭 0.3~6.6m의 소규모 국지 광역파쇄대로 분석되 었다. 전기비저항 탐사결과 6개소의 비저항 이상대가 관측되었으며, 특히 ○○빌라 구간은 과거 계곡 지역으로 충적층 이 발달해 있으며 택지개발시 매립이 시행된 구간으로 공사구간 중 가장 주의가 필요한 구간으로 “지반침하 중점관리 구 간”으로 선정되었다. 암종분포도 한영외고현대빌라생태공원공장지대5호선 교차 물리탐사(전기비저항) 조사 결과 시추조사 및 지반침하 중점 관리구간 선정 <그림 5> 지반현황42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 4. 안전시공 로드맵 4.1 추진 배경 및 과제 저토피 및 시설물 근접에 따른 굴착중 도로 및 건축물 침하 발생, 도심지 하부통과시 사고사례 다수, 범정부적인 SOC 시설물의 안전관리 강화 기조에 대응하기 위한 체계적 관리의 필요성이 대두됨에 따라 터널 굴착 공사 시행전에 ｢안전시 공 관리로드맵｣을 미리 작성하여 안전, 설계, 공사, 품질, 민원 분야에 대한 시스템 관리를 수행하였다. 이러한 시도는 기존의 현장관리와 차별화된 것으로 사전에 문제를 인지하고 다양한 전문가의 조언을 제도적으로 활용하여 발생 가능한 위험을 선제적으로 대응할 수 있는 관리기법을 도입했다는 의미가 있다. <그림 6> 안전시공관리 로드맵 4.2 설계 적정성 검증 국내외 사고 사례 조사 및 벤치마킹(GTX 삼성~동탄 ○공구, 별내선 복선전철 ○공구) 결과 기시행된 설계 및 시공법 에 대한 재검증 과정이 필요하다는 상호 인식하에 국내 터널분야에서 독보적인 역할을 수행하고 있는 한국터널지하공간 학회에 의뢰하여 보강공법, 계측계획, 씽크홀 방지 적정성에 대한 외부 검증 연구용역을 시행하였다. Vol. 21, No. 3 43 지질 Unit도강관다단 격간시공Leg pile <그림 7> 설계 적정성 검증 연구용역 결과 총 7개의 위험구간(감북동 저토피구간, 길동생태공원 및 천호대로 통과구간, ○○빌라 통과구간, ○○ 고등학교 인접구간, ○○빌라 인접구간, 강동 ○○○병원 인접구간, 종점 갱구부구간)이 선정되었으며 공통사항으로 ① Face Mapping 야장 개선 ② 침하량 예측기법 개선 ③ 지하수 유입조건을 고려한 단계적 차수계획 수립 ④ 지질 Unit도 작성 ⑤ 역해석에 의한 지반정수 재평가 ⑥ 강관+강연선 지압판 추가 ⑦ 강관다단그라우팅 격간 시공 등이 있다. 위험구간별 개선사항으로는 지반 특성을 반영하여 ① 강지보 적용구간 확대 ② 무인버트 구간 바닥부 지지력 평가 ③ 측벽부 침하방지를 위한 Leg pile 및 Elephant Foot 공법 적용 ④ 발파진동식 재평가 ⑤ 앵커 및 파이프루프 중첩방지 방 안 ⑥ 선대구경 및 저폭속 폭약 적용구간 확대 ⑦ 링컷 굴착 공법 적용성 제고 등의 안전시공관리 개선방안이 채택되었다. 4.3 전문가그룹 구성, 상시자문체계 구축 위험구간 시공전 문제가 예상되거나 또는 문제가 발생한 경우 즉시 대책을 수립하기 위해 안전시공 자문 전문가 그룹 을 운영하여 상시 자문체계가 이루어질 수 있도록 하였다. 주요 성과로는 ○○빌라 통과구간 및 천호대로 막장 안정성 평가 및 설계 적정성 검증 자문 등이 있다.44 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 위원장 (품질환경팀장) 간사 (품질2차장) 내부위원(2)업계(3)학계(1) ∙ 도로교통연구원(1) ∙ 자문단(1) ∙ 설계사(1) ∙ 지반보강 업체(1) ∙ 유사현장 관계자(1) ∙ 대학교(1) <그림 8> 안전시공 자문 전문가 그룹 4.4 계측 및 막장관리 강화 <그림 9> 공사중 계측 관리 Flow 터널 계측계획은 공사중 계측(일상 A계측, 정밀 B계측, 특별 계측) 및 운영중 계측(유지관리 계측)으로 구분되며, 공사중 계측은 다시 계측 시기에 따라 사전(Pre) 계측, 시공중(Under) 계측 및 공사후(After) 계측으로 단계별 관리계획 이 수립되어 있다. 안전시공관리 로드맵을 통해 기존 계측계획의 적정성 및 관리기준에 대한 평가가 수행되었고 지반침 하 발생에 따른 사회적 손실도를 감안하여 ○○빌라 및 천호대로 통과구간은 자동화계측 시스템이 2개소 추가되었으며, Vol. 21, No. 3 45 현재 해당구간은 굴착이 종료되었으나 지중변위는 최대 1.93mm로 파악되어 안전성에는 큰 문제가 없는 것으로 판단 된다. 아울러 인접 구조물의 변위 등을 파악하기 위한 연도변 조사 결과에서도 추가적인 변위는 발생하지 않았다. ▪ 상시계측 - 정밀계측, 진동계, 지하수위계, 선행지중변위계 - 건물경사계, 균열계 ▪ 자동화 계측 - 지표침하계/지중침하계 - 관리기준(1차) 초과시 문자알림 시행 <그림 10> 자동화 계측 실시 현황 아울러 지반침하 집중관리 구간인 동남로 상부에 GPR 탐사(6차로, 총 7,794m)를 수행하여 지장관로 누수에 따른 씽 크홀(sinkhole) 발달여부를 추가적으로 확인하였으며 조사결과 다행히 해당구간에서 씽크홀의 징후는 발견되지 않았다. <그림 11> 공동 파악 GPR 탐사46 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 일반적으로 PW(Pillar Width)가 2.0D(Diameter of Tunnel) 이하일 경우 근접터널의 특성이 발현되며 1.0D 이하일 경우 급격한 응력증가 현상이 발생한다. 국내 근접 병설터널은 대부분 PW가 0.2~0.5D로 계획되며 0.2D 이하일 경우 접선응력이 반경방향응력의 6배 이상 발생할 수 있으므로 이 경우에는 2-Arch 터널 또는 강성 지지대 공법을 적용하여 야 한다. ○○○○터널의 경우 근접병설구간은 PW가 0.23~0.29D를 보이고 있으므로 필라의 안정성을 확보하기 위해 타이볼트 및 강관+강연선 공법을 적용하였으며 그림 12는 강관+강연선 공법의 시공순서를 나타내고 있다. 필라부 수평천공(선행터널)보강재 삽입(선행터널) 가압블럭 및 플레이트 설치(선행터널)천공홀 압력그라우팅(선행터널) 가인장(선행터널) 후행터널 2보강재 연결(후행터널) 가압블럭 및 플레이트 설치(후행터널)지압판 설치 및 본인장(후행터널) <그림 12> 필라 보강재 시공순서Vol. 21, No. 3 47 필라부 강관+강연선 보강공법은 프리텐션을 통해 필라의 반경방향 구속압을 증가시켜 필라의 국부 안전율을 증가시 키는 공법이다. 강연선은 프리텐션을 담당하고 있으며 강관은 필라에 발생 가능한 전단파괴에 저항토록 하는 공법으로 가압그라우팅을 통해 필라 자체의 물성보강도 동시에 꾀하는 공법이다. 구속압증가에 따른 안전율 증가필라부 안정성 검토 <그림 13> 필라부 안정성 평가 지반조건에 따라 암반등급 IV(필요시)~V구간은 강관+강연선 공법을 적용토록 하였으며 프리텐션 인장응력은 100~ 150kN을 부가토록 계획하였다. 그러나 근접병설터널 공법 자체가 최근에 많이 계획 및 시행되는 공법으로 현재 관련 기 준이 명확히 정리되어 있지 않아 사업단과 협의하여 자체적인 기준을 수립하여 공사를 진행하고 있는 실정이다. 그 중 대표적으로 선행터널에서 강연선 설치를 위한 천공시 천공비트가 약한 암반쪽으로 편향되는 문제 및 후행터널에서 강연 선 본 인장시에 웨지슬립에 의한 프리스트레스 손실 문제 등에 대응하기 위해 추가적인 긴장력 40~60kN을 도입하여 설 계긴장력 이상이 실제적으로 필라부에 적용되도록 관리하고 있다. 필라부 계측 현황EM 센서필라부응력계(연직/접선) <그림 14> 필라부 계측기 설치 현황Next >