< Previous기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 28 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 2> 도심지 터널에서의 지반침하(싱크홀)사고 국토교통부는 지반침하 사고를 사전에 예방하고 지하 공간의 안전한 개발과 이용을 지원하기 위한 지하안전정보시스템(www.jis. go.kr) 구축을 완료하고 운영 중에 있다(그림 3). 국토교통부는 지반침하가 사회문제로 대두됨에 따라 지난 2014년 지하공간 통합안전 관리체계 구축 등의 내용을 담은 범정부 차원의 지반침하 예방 대책을 발표하고, 지하안전관리에 관한 특별법을 제정해 2018년부터 시행 중에 있다. <그림 3> 지하안전정보시스템(국토교통부 https://www.jis.go.kr) 지하안전정보시스템에는 국토교통부 소속 지방국토관리청 및 지자체 담당자가 지하안전영향평가· 소규모 지하안전영향평가· 사후 지하안전영향조사· 지하안전점검· 지하안전계획수립 관리 등에 대한 검토·승인· 관리를 지원하는 업무기능이 있다. 또한, 민간의 지 하개발사업자(시행사), 지하안전영향평가· 소규모 지하안전영향평가 전문기관 등의 사용자와 지자체 등이 이용하는 민원 기능으로 구성되었다. 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 29 지하안전정보시스템 위탁 기관으로 지정된 국토안전관리원(한국시설안전공단)은 지하안전영향평가 등의 기술적인 업무지원 및 운 영관리뿐만 아니라 이용자 상담 및 민원처리를 위한 콜센터도 운영 중에 있으며, 지하안전정보시스템의 운영을 통하여 지하개발사업 자, 지하안전영향평가 전문기관 등 사용자는 처리상황을 실시간으로 확인할 수 있으며, 일반국민은 시스템을 통해 주변지역의 지하개 발사업을 확인하고 지반침하로 인한 피해에 적극 대응할 수 있다. 따라서 도심지 터널공사에 대한 지하안전영향평가 및 안전관리에 대한 제반 정보는 지하안전정보시스템을 참고하며 대부분의 정보 를 얻을 수 있을 것이다. 또한 현재 수행되고 있는 도심지 터널공사에 대한 지하안전영향평가 및 사후지하안전영향조사에 자료와 경험 이 축적됨에 따라 도심지 터널공사에 대한 안전관리는 보다 개선될 것으로 판단된다. 현재 도심지 터널은 지하 40m 이하의 대심도 지하에 계획되고 있으며, 복합적인 기능을 포함하기 위하여 대단면화되는 특성을 가지므로, 이러한 도심지 터널특성을 반영한 지하안전영향평가방법과 지하안전관리방안이 구체적으로 마련될 것이며, 특히 터널공사 중에 발생하는 각종 리스크(지질 리스크, 시공 리스크, 안전 리스크, 환경 리스크 등)를 얼마나 적극적이고 능동적으로 대응할 것인가 가 관건이라 할 수 있다. 2. 터널 지하안전영향 평가 지하안전영향평가(터널)매뉴얼(국토교통부, 2020)은 터널 지하안전영향평가 방안에 대한 표준안으로 제시하고 있다. 이 표준안 중 터널 특성을 반영하는 주요 항목의 세부 내용은 다음과 같다. 2.1 대상지역의 설정 (가) 굴착검토범위 선정 ▣ 검토개요 • 사업구간 굴착시 영향을 미치는 검토범위 산정방법 검토 - 이론식 및 경험식에 의한 방법에 대한 적용성 검토 - 최소굴착검토범위 검토 - 지반침하취약구간 굴착검토범위 검토 ▣ 검토결과 (1) 이론식 및 경험식에 의한 방법에 대한 적용성 검토 ① 횡단면 지표침하 • Peck(1969) : 모래지반 및 점토지반 등 다양한 지반에서 시공된 터널 계측자료의 분석결과를 토대로 지표침하형상 곡선식을 제안 • 그 후 Attewell과 Farmer(1974), O’Reilly와 New(1982) 등 많은 연구자들이 현장 계측결과와 비교하여 식의 타당성을 확인기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 30 자연,터널 그리고 지하공간 ② 종단면 지표침하 • 도심지에서 터널 굴착에 의한 인접 건물의 침하손상은 터널막장이 건물 하부를 완전히 통과한 후 침하가 100% 수렴된 상태의 최종 침하형상곡선 보다는 터널 막장이 진행됨에 따라 변화하는 종단면 지표침하 상태가 더 위험하다. • 국내의 경우 배규진(1989)과 김창용 등(1998)은 현장계측결과를 토대로 터널막장에서의 침하비가 최종 침하량의 약 20~30% 정도로 발생한다고 연구하였다. 횡단면 지표침하곡선종단면 지표침하곡선 ③ 변곡점(i) 및 지반손실률(Vι) • 터널굴착에 의한 횡· 종단면상의 지표침하 예측식을 적용하기 위해서는 먼저 변곡점과 지반손실률에 대한 값을 합리적으로 결정하여야 한다. • 일반적으로 변곡점의 위치는 지반조건, 터널심도 및 직경 등에 큰 영향을 받으며, 터널 시공방법에 따라서는 큰 차이를 보이지 않는다. ④ 이론식 및 경험식에 의한 방법을 통한 굴착검토범위 검토결과 • Attewell(1986)의 제안에 따르면 굴착영향거리는 45°+(Φ/2)로 산정하며, 도심지 터널(대심도) 사업의 경우 실제보다 과다산정 되므로 적용시 주의하여야 한다. • Peck(1969) 등 각 연구자별 굴착검토범위 검토결과 - Peck(1969) 등 국내외 연구자들은 토사, 점토 등의 얕은 터널 굴착 조건에서 지표침하 발생경향을 연구하였으며, 각 연구자가 제안한 논문을 분석하여 아래와 같이 굴착검토범위를 산정하였다. - 굴착영향범위는 횡단면 지표 침하곡선에서 변곡점(i)까지 거리의 2.5배로(2.5i) 산정하였다. - 검토범위 산정시 터널직경(D)은 10m, 토피(z)는 20m로 가정하였다. 제안자제안식굴착검토범위(터널 중심에서부터 거리) Peck(1969)∙ i = 0.2(D + z) = 6m(=0.6D)약 1.5D O’Reilly와 New(1982)∙ i = 0.28z - 0.1(sand) = 5.5m(≒0.6D)약 1.5D Clough와 Schmidt(1981) ∙ = 8.7m(≒0.9D) n = 0.8 약 2.25D제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 31 ⑤ 경험식 및 이론적 방법에 대한 적용성 검토 결과 • 국내외 터널 굴착에 의한 지표침하 발생경향에 대한 연구는 터널 굴착 지반조건이 토사, 점토 등 국내에서 일반적으로 굴착되 는 암반터널 조건이 아니므로 경험식 및 이론적 방법을 통해 터널 굴착검토범위 산정은 토사터널 등과 같이 지반조건이 유사 할 경우 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다. • 또한 경험식 및 이론적 방법은 터널직경, 토피고 등 사업구간의 다양한 조건을 반영하기 어려우므로 적용시 이를 고려하여야 한다. • 따라서 이론식 및 경험식에 의한 방법은 각 연구자가 검토한 지반조건과 사업구간의 지반조건이 유사할 경우에만 검토하여 적용하는 것이 적절할 것으로 판단되며, 암반구간을 굴착하는 국내 일반적인 도심지 터널의 경우는 지반조건이 크게 상이하여 적용성이 떨어지므로 반영하지 않는 것이 타당하다. 구분적용조건굴착검토범위 산정방법 이론식 및 경험식 ∙ 사업구간 중 터널구간 굴착 지반조건이 토사, 점토일 경우 ∙ 각 연구자의 연구결과를 분석하여 대상사업구의 적용성 검토 후 반영 ∙ 최소 굴착검토범위, 수치해석 결과와 비교 후 보수적으로 적용 (2) 최소굴착검토범위 검토 ① 해석방법 • 터널 굴착에 의한 검토범위를 산정하기 위해 해석조건별 수치해석을 수행하였다. 구분CASE 1CASE 2CASE 3CASE 4 해석조건응력해석응력해석침투-응력해석침투-응력해석 인접구조물 반영 여부미반영반영미반영반영 <해석조건> • 수치해석에 의한 방법을 통해 굴착검토범위 산정시 인접구조물을 반영할 경우 구조물 하중에 의해 실제와 상이한 침하경향을 보이므로 인접 구조물은 미반영하는 것이 적절한 것으로 검토되었다. • 또한 침투-응력해석조건에서는 일반적인 지표침하곡선과 달리 지하수 저하에 의한 침하영향으로 모델링 전구간에 지표침하 가 발생하여 굴착검토범위를 산정하기 어려우므로 침투를 고려하지 않고 응력해석조건으로만 해석을 수행하는 것이 적절한 것으로 검토되었다. ② 토피고 및 지반조건에 따른 굴착검토범위 산정결과 • 굴착검토범위에 영향을 미치는 지반조건과 토피고를 변수로 하여 수치해석을 수행하였다. • 검토결과 - 토피고에 따른 지중연직변위 분포경향은 토피고가 클수록 지반하중의 영향으로 터널 천단침하량이 크게 발생하였다. - 또한 상부 지층의 변형계수가 클수록 터널 천단침하량은 감소하는 경향을 나타내었다. - 각 조건별 굴착검토범위 산정결과 1.13D~1.50D로 검토되었다. - 따라서 최소 굴착검토범위는 1.5D로 선정하는 것이 적절한 것으로 판단된다.기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 32 자연,터널 그리고 지하공간 (3) 지반침하취약구간 굴착검토범위 검토 ① 검토방법 • 이론식 및 경험식 : 사업구간 중 이론식 및 경험식 적용이 가능한 구간(토사, 점토층 굴착구간)은 적용성 검토 후 반영하고 최소 굴착검토범위, 수치해석 결과와 비교 후 보수적으로 적용 • 수치해석 : 지반침하 취약구간에 대해 대표단면을 선정한다. • 대표단면 선정기준 - 연암 이하 굴착구간(RMR 40 이하) 중 본선터널구간, 횡갱터널구간, 확폭터널구간, 정거장터널구간의 구간별 지반조건이 가장 열악한 단면을 대표단면으로 선정 • 해석조건 - 응력해석조건, 인접구조물은 미반영 • 기타 - 기존 운행 중인 철도터널 경계에서 30m이내에 굴착이 이루어질 경우, 관련법에 따라 관계기관과 협의하여야 함 ② 검토결과 • 지반침하 취약구간에 대한 수치해석결과 굴착검토범위가 최소굴착검토범위(1.5D) 이상일 경우에는 산정된 굴착검토범위 적용 굴착검토범위 산정결과 예시 2.2 지하수 변화에 의한 영향 검토 (가) 설계지하수위 산정 ▣ 검토개요 • 지하수변화에 의한 영향 검토 및 지반안전성 검토시 초기조건으로 적용되는 설계지하수위 선정 방법에 대해 검토한다.제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 33 ▣ 검토결과 • 연간지하수위 변동량 산정 - 지하수 정보센터(www.gims.go.kr)의 국가관측망 및 보조관측망 자료를 활용하여 연간 지하수위 변동량을 산정한다. - 계측 미실시, 계측오류 및 양수 등 신뢰저하 관측망은 제외한다. • 강우시 침투해석에 의한 지하수위 상승고 산정 - 시추공 72시간 관측수위를 초기조건으로 적용한다. - 인접하여 하천이 위치할 경우 하천 홍수위로 모델링하여 침투해석을 수행한다. - 침투해석을 통해 관측된 시추공 지하수위에서 강우시 지하수위 상승고를 산정한다. - 초기지하수위는 각 대표단면별 가장 가까운 위치의 72시간 시추공 지하수위를 적용하여 각 단면별로 설계지하수위를 산정한다. • 설계지하수위 선정 - 연간 지하수위 변동량(최근 1년)과 강우시 지하수위 상승고를 비교하여 안전측으로 적용 - 초기지하수위에서 산정된 지하수위 상승고를 합하여 설계지하수위를 선정 구분 지반고, E.L(+), m 시추공 관측 지하수위 침투해석결과 상승고(m) 연간지하수위 변동량(m) 적용 상승고(m) 설계지하수위 E.L(+), mG.L(-), mE.L(+), mG.L(-), m A-A 단면 좌측20.6411.609.041.992.062.0613.666.98 우측20.5413.107.441.642.062.0615.165.38 <설계지하수위 선정 예> • 설계지하수위가 굴착면 아래에 위치할 경우 굴착에 의한 지하수변화에 의한 영향이 없을 것으로 판단되므로 검토를 생략할 수 있으나 관련 근거자료를 명확히 명시하여야 한다. (나) 지하수위 변동 허용기준 ▣ 검토개요 • 지하수위 저하에 의한 침하영향을 확인하기 위한 누적 및 일별 지하수위저하 기준 검토 ▣ 검토결과 • 지하수위 변화량 안전성 판단기준 - 기존에는 1일 강수량 200mm 이상의 집중 강우시 배면지반에서 지하수위 변화는 1.0m로 판단되어 1일 변화량이 1.0m 이상일 경우 위험한 것으로 판단함(토류벽의 굴착단계별 거동예보 시스템 개발, 1998, 연세대학교) - 이후 2016년 서울시에서 제시한 공사장 지하수 관리 매뉴얼에 따라 누적 지하수위와 일별 지하수위로 구분하여 관리한다. • 공사장 지하수 관리 매뉴얼(서울시, 2016) - 누적 지하수위 변화량 기준 : 8m(충적층을 대상으로 지하수위가 10m 저하될 경우 25mm의 지반침하가 발생 할 수 있는 것으로 개략 검토됨, 10m에 대한 안전율 80% 적용) - 일별 지하수위 변화량 기준 : 1m/일기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 34 자연,터널 그리고 지하공간 • 검토결과 - 누적 지하수위 변화량 기준 : 현장여건(지반조건, 벽체공법, 현장현황 등)을 종합적으로 고려하여 지표침하 25mm가 발생하는 지하수위 저하량을 적용 - 일별 지하수위 변화량은 1m/일 적용(토류벽의 굴착단계별 거동예보 시스템 개발, 공사장 지하수 관리매뉴얼 참조) ※지하수위계 계측결과 지하수위가 10m 이상 저하되어도 인접 지반에 미치는 영향이 미미(지중경사계, 지표침하계, 인접구조물 경사계, 균열계는 1차관리 기준치 이내)한 사례가 다수 존재함 2.3 지반안전성 검토 (가) 수치해석에 의한 지반안전성 검토 ▣ 검토개요 • 지반안전성 검토를 위한 수치해석 수행시 해석조건 및 방법(해석영역, 해석방법, 안전성 검토기준, 설계하중)에 대한 검토 ▣ 검토결과 (1) 해석 영역 • 경계조건의 구속영향을 배제하기 위하여 굴착면 좌우로 3D(D : 터널 굴착 폭), 하부 2D 이상을 해석영역에 포함하여 검토를 수행하며, 또한, 3D 범위 내에 구조물이 존재할 경우 해당 구조물의 규모를 모델링에 포함하여 수치해석을 수행한다. 지반 안전성검토를 위한 해석 영역 (2) 해석 방법 • 해석은 굴착과 굴착에 따른 지하수 변화에 의한 영향을 동시에 반영이 가능한 방법으로 수행한다. • 대표단면에 대해 안전측 해석방법인 2차원 해석을 기본으로 수행하며, 정거장 터널 및 수직구 등 3차원적인 거동하는 경우는 3차원 해석을 수행한다.제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 35 • 3차원 해석을 통해 안전성을 확인해야 하는 경우는 다음과 같다. - 「시설물 안전 및 유지관리에 관한 특별법」상 주요시설물(C등급 이하) 및 노후구조물(구조적 균열)인접 - 정거장 터널구간 - 굴착영향범위 내에 동시굴착 현장이 존재하는 경우 (3) 설계하중 구분도로하중 인접건물 인접구조물열차하중 용도주택사무실 적용하중12.70kN/m2 최상층14.0kN/m216.0kN/m2 25.0kN/m360.0kN 일반층13.0kN/m214.0kN/m2 1층16.0kN/m215.0kN/m2 지하층33.0kN/m230.0kN/m2 근거 도로교 설계기준 DL24 적용 설계시공지침(일본건축학회) 철근콘크리트 단위중량 적용 KR C-08020의 표준열차하중도 (여객 전용선)적용 (4) 안전성 검토기준 • 터널 구분허용기준비고 변위 천단변위(mm)- ∙ 변위에 대한 기준은 없으므로 기술자의 판단에 따라 변위가 과다할 경우 보강계획 수립 내공변위(mm)- 지보재 응력 숏크리트 응력(MPa)0.4fck∙ 지보재 강도에 따라 변경 록볼트 축력(kN)0.5fy×As∙ 지보재 강도에 따라 변경 • 인접구조물 및 지하매설물 구분침하 허용기준(mm)각변위비고 인접구조물251/500 지하매설물251/500 • 지하철 선로 - 운영주체가 서울교통공사일 경우 구분궤간틀림수평틀림면틀림줄틀림비고 시공기준 증 6mm(4mm), 감 3mm(2mm) 이내 본선 7mm(5mm), 측선 (7mm) 이내 본선 7mm(5mm), 측선 (7mm) 이내 본선 7mm(5mm), 측선 (7mm) 이내 ∙ 서울교통공사 선로정비규정 제2장 궤도정비의 기준기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 36 자연,터널 그리고 지하공간 - 운영주체가 철도시설관리공단일 경우 주의기준표준편차 비고 V≤4040<V≤8080<V≤120120<V≤160 160<V≤230 160<V≤230 궤간틀림<-3,17≤<-3,17≤<-3,17≤<-3,17≤<-3,13≤- ∙ 선로유지관리지침 (철도시설관리공단, 2018) 수평틀림10≤10≤10≤10≤10≤- 면틀림15≤13≤10≤7≤2.1≤2.1≤ 줄틀림14≤12≤9≤7≤6≤1.6≤ 뒤틀림13≤10≤9≤8≤6≤- 궤간틀림수평틀림면틀림줄틀림뒤틀림 (나) 발파진동영향 검토 ▣ 검토개요 • 암반구간 발파시 발파진동에 의한 영향 평가방법 및 결과에 대한 검토 • 발파 소음· 진동에 대한 검토는 설계분야에서 검토한 내용 수록 • 발파진동영향 검토와 손상기준은 국가건설기준(KDS 27 20 00)을 준용 ▣ 검토결과 (1) 발파진동 추정식 • 발파진동 추정식은 설계단계에서는 시추공 시험발파를 통해 발파진동 추정식을 산출하나 시추공 시험발파 수행이 어려운 경우 에는 국토교통부에서 제시한 아래 식을 적용하여 발파진동영향 예측 및 발파공법을 선정한다. - 국토교통부 식 여기서, V = 진동속도(cm/sec) D = 폭원으로부터 이격거리(m) W = 지발당 최대장약량(kg) • 시추공 시험발파 - 시추공 시험발파를 실시하여 발파진동 추정식 산출 - 수행절차 ∙ 계획노선상의 시추공 중 시험발파 대상 시추공 확보 ∙ 관할 경찰서에 화약류 사용허가 신청 및 신고 ∙ 시추공 시험발파 전 진동 전파특성 파악을 위해 미소 장약량으로 사전 시험발파 실시제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 37 ∙ 시추공에서 다양한 화약량으로 6회 발파수행 ∙ 다양한 거리에 설치된 진동측정기 센서를 통해 진동 데이터 수집 ∙ 수집된 데이터를 통해 진동추정식, 진동레벨상관식 및 소음예측식 산출 (2) 발파진동 허용기준 • 발파진동허용기준은 아래의 터널설계기준(KDS 27 20 00 : 2016)에서 제시하는 표를 기준으로 기존 설계 및 시설물 관리기관 협의사례, 환경분쟁조정위원회 조정사례 등을 고려하여 선정한다. • 구조물의 손상기준 발파진동 허용치(KDS 27 20 00 : 2016) 구분 문화재 및 진동예민 구조물 조적식(벽돌, 석재 등) 벽체와 목재로 된 천장을 가진 구조물 지하기초와 콘크리트 슬래브를 갖는 조적식 건물 철근콘크리트 골조 및 슬래브를 갖는 중소형 건축물 철근콘크리트 또는 철골골조 및 슬래브를 갖는 대형건물 최대입자 속도(cm/sec) 0.2 ~ 0.31.02.03.05.0 (3) 발파진동 영향 검토 • 발파진동 영향 검토는 발파진동 추정식을 이용한 방법과 수치해석을 이용한 방법이 있다. ①발파진동 추정식에 의한 검토 - 발파진동 추정식을 이용하여 발파시 검토대상 구조물에 발생하는 발파진동값 예측 - 구조물에 따른 허용기준과 비교하여 안전성을 판단Next >