< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 암발파 굴착 시 발생하는 진동으로 인해 발생하는 계측기의 오류 및 파손을 방지하기 위한 지하수위계 적정 설치위치 검토 지하수위 저하 경향을 살펴보면 흙막이 벽체에서 –5.77m로 가장 크게 지하수위 저하가 발생하였으며 흙막이 벽체에 서 측정된 저하량 비교 시 5m 이격 지점에서는 0.35m, 10m 이격지점에서는 0.44m, 15m 이격지점에서는 0.81m 감소 하여 15m 지점까지 1m 이내의 차이로 발생하였으며, 이를 흙막이 벽체에서의 지하수위 저하량과 백분율로 환산시 각각 4.30%, 7.66% 14.10%의 차이를 보이는 것으로 검토되었다. <그림 5> 이격거리별 지하수위 저하량 그래프 <그림 6> 최종 굴착시 간극수압도 4.4 발파진동과 지하수위 영향구간을 고려한 지하수위계의 적정이격 설치 위치 제안 본 연구에서는 정밀한 지하수위 계측이 가능한 범위 내에서 굴착 또는 발파로 발생하는 진동으로 인한 지하수위계 계 측 오류를 최소화 할 수 있는 적정 이격 설치위치에 대하여 다각적인 접근을 통해 분석을 실시하였으며, 분석 결과를 토 대로 적정 이격설치 위치를 제안하고자 한다. (1) 지하 굴착공사를 수반하는 각종 사업을 시행하는 경우 지하안전평가를 실시하고 해당 사업의 착공후지하안전조사를 수행함에 있어서 지하수위계 측정에 따른 지하수위 계측관리기준치를 1차 관리기준, 2차 관리기준, 3차 관리기준으 로 선정하여 현장에서 측정한 결과 지하수위 계측관리기준치 이하로 급저하되는 현상이 발생되어서 원인 분석결과 현장 발파영향에 따른 진동영향으로 주변에 지하수위가 급저하되는 현상이 발생되었다.Vol. 23, No. 4 29 (2) 따라서, 지반 굴착 시 착공후지하안전조사를 수행함에 있어서 지하수위계 계측기의 설치위치에 따라서 주변에 대한 정확한 지하수위계 측정치를 확인하기 위해서는 다음과 같이 제안을 합니다. 측벽파일로부터 이격거리 5.0m 이상 위치에서 지하수위계를 설치하고, 추가로 지하수위 강하가 1.0m 되는 지점의 영향구간 이내에 추가로 설치하여 지 하수위계를 설치하고 지하수위 계측관리기준치를 관리하여야 한다. 5. 맺음말 지하 굴착공사에 따른 착공후지하안전조사에서 적용하는 지하수위계 설치 위치에 대한 정확한 기준이나 사례가 없어 서 지하수위에 대한 계측관리를 위하여 현장 적용사례를 근거로 지하 굴착공사 현장에서 효율적인 지하수위계 측정을 수행하기 위한 적정이격 설치 위치를 비교하고, 현장에 적용하도록 검토하여 제시하였다. 현장 지하 굴착공사 기간중에 지하수위계 설치 위치를 적정이격 거리를 미확보하여 지하수위계 계측기를 설치 시 공사중 지하수위 급저하에 따른 원 인분석 및 안전진단을 실시하여 승인기관에 승인을 득하고 시공을 재수행하는 공기 손실이 발생되므로 지하수위계 계측 기 설치 위치를 제시하므로 현장 계측관리 품질을 개선하고 성능을 향상시켜서 공기에 대한 손실이 단축되고, 비용 절감 과 공기를 확보하는데 유효한 방법 중 하나로서 향후 착공후지하안전조사와 현장 지하수위 계측관리 수행에 활용될 것 으로 기대된다. 참고문헌 1. 국토교통부, 지하안전영향평가 표준매뉴얼. 2. 국토교통부, 설계기준 지반계측(KDS 11 10 15 :2016). 3. ㅇㅇ지역 전력구 공사 계측보고서. 4. 서울특별시, 공사장 지하수 관리매뉴얼. 5. 한국지질자원연구소, 가스관보호를 위한 가스공사의 관리지침. 6. 국토교통부, 국도건설공사 설계실무요령. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 1. 사업개요 본 사업은 반포천 유역 침수해소를 위해 계획된 하수터널이며, 사업구간은 반포동(교대역~고속터미널역)에 위치한 총 연장1,162m 공사이다. 반포천 유역 분리터널 건설공사의 사업구간인 반포배수구역의 강남역 일원은 2010년 9월 및 2011년 7월등 집중호우 시 침수피해가 크게 발생한 지역으로, 효과적인 개선대책 수립을 위하여 기존 방재시설물 대책에서 벗어나 유역분리터 널을 설치하여 강남역 일대의 종합적인 배수개선대책 시행과 침수피해 예방에 그 목적이 있다. 반포천 유역 분리터널 공 사의 노선 연장과 주요 사업범위는 아래와 같다. □ 노선 연장 : L=1.162km (터널부 L=944m, RC암거=218m) □ 공사 기간 : ‘18. 02. 01~’22. 03. 31 (50개월) □ 주요 사업 범위 - 터널 : L=944m [내경D6.5 m], TBM구간 L=894m, NATM구간 L=50m - 개착부BOX : 유입부 [4.5m × 4.5m] L=218.0m 유출부 [6.5m × 6.5m ~ 9.6m × 3.0m] L=72m - 비개착부[DSM] : 3.0m × 3.0m@3 ~ 4.7m × 2.0m@3 L=48m 반포천 유역 분리터널 건설공사 김용일 (주)호반산업 재정사업팀 팀장/상무 송창민 (주)호반산업 토목공사팀 이사 이동경 (주)호반산업 토목공사팀 주임Vol. 23, No. 4 31 <그림 1> 반포천 유역분리터널 건설공사 노선 2. 주요 시설 본 사업은 터널 시점부가 법원, 검찰청 등이 인접한 도심지에 위치하며 터널 종점부에는 강남성모병원 장례식장이 근 접하여 있다. 특히 본 공사 주변의 주요 시설로 종점부에 위치한 지하철 3호선으로 본선터널상부를 5.63m 이격을 둔 상 태로 근접시공을 하여야 하는 상황에 따라 진동 발생이나 소음, 분진 등에 의한 주변 민원 및 주변 시설 영향을 최소화하 고 원활한 공사 진행을 위해 수직구 및 PILOT터널은 무진동암파쇄공법으로, 본선부는 Open TBM공법이 적용되었다. 본 사업의 주요 시설물은 다음과 같다. □ 본선 터널 - 수직구/PILOT: 시점부 구간 L=32m, 종점부 구간 L=18m (NATM) - 본선터널 : L=894m (Open TBM) □ 시점부(법원로) 현황 : 서초대로에서 서울지방법원 및 서울지방 검찰청으로 진입하는 법원로에 위치 □ 종점부(서리풀 공원 내) 현황 - 좌측 : 지하철 3호선 환기시설, 카톨릭서울성모병원 장례식장과 인접 - 우측 : 서리풀 공원 산책로 및 반도미도 2차아파트와 인접 <그림 2> 유역분리터널과 지하철3호선 현황32 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 반포천 유역 분리터널 건설공사 3. 터널 시공 본 사업의 터널 시공은 입구부 Pilot 구간에 무진동암파쇄공법, 본선터널은 TBM공법을 적용하였다. TBM공법은 발파 를 하지 않고 기계화된 건설장비를 사용하는 터널 굴착 공법으로, 당사는 Kelly type의 Open TBM을 적용하여 반포천 유역분리터널을 시공하였다. Open TBM의 가장 큰 특징은 신속한 굴착을 통한 공사기간 단축과 비발파로 인한 뛰어난 안전 및 환경성 확보, 단층대 및 파쇄대 등에서의 신속한 대처 가능 능력으로 본 사업에 적용된 TBM은 TBM본체와 후속 트레일러 및 후속 설비로 구성되어 있으며 다음은 Open TBM의 장비 개요이다. □ TBM 장비 구성 - Kelly Type <그림 3> Kelly Type TBM 구성 일반적인 Open TBM 장비 Type은 Open TBM을 최초 개발한 미국 Robbins사의 Gripper Type TBM이며 Kelly Type 과 장비 구성을 비교하면 아래와 같다. - Gripper Type <그림 4> Gripper Type TBM 구성Vol. 23, No. 4 33 두 Type은 시공상에 있어 큰 차이는 없으나, 장비의 자체 이동성에서는 Kelly Type이 유리하며, 지보보강의 효율과 방향전환에서는 Gripper Type이 유리하다. □ 버력처리 버력처리는 아래 표와 같이 계획하였다. <표 1> 버력처리 계획 항목Locomotive(기관차) + Muck car(광차) 개요버력을 기관차 + 광차를 이용하여 갱외로 반출 특징 1. 연속적인 버력처리로 굴착 Loss Time을 최소화 할 수 있음 2. 수직구를 통한 버력처리에 유리 장비 기관차(20ton) 3대 + 광차(14m3) 9대 지반조건의 변화와 수직구 및 후방터널 등을 고려하여 광차의 사용대수를 조정함 4. 지하철 3호선 근접시공 □ 지하철 3호선 근접시공 유역분리터널과 지하철 3호선 터널구간은 터널 상부 5.63m를 교차하여 통과하므로, 철도 안전법 관련 규정에 의해 일부 구간(L=100.0m)이 철도보호지구로 지정되어 근접시공에 대한 대책 마련이 필요하였다. 천단부 수직변위 3차원 안 정성 검토 및 궤도별 레일 위치의 변위발생 경향 분석, 암반 이완하중 등 안전성 검토를 통해 시공 적정여부를 확인하였 으며, 다음은 검토 결과에 따른 주요 반영사항 및 위치도이다. TBM 굴진 시 지속적인 계측과 점검으로 원지반에 주는 영향을 최소화하여 안전하게 시공을 마칠 수 있었다. <표 2> 근접시공 관리계획 구분반영 사항 계측관리 - 계측기 설치 : 교차부 2개소(당초) ⇒ 4개소(변경) 교차 반대측 선로 2개소 추가 - 내공 변위, 천단침하(수동 계측) ⇒ 전단면 변위(자동 계측) 변경 - 지하철3호선 환기구 : 수동 ⇒ 자동 - 진동계측 추가 확인측량- 지하철3호선 확인측량 반영 : 공사전 현황측량 및 보고서 공사 중 점검- 공사 중 점검 반영 : 6회 (굴착~라이닝 완료시까지) 정밀 안전점검 - 정밀안전점검 반영 (공사 전· 중· 후) - 기 반영된 연도변조사(3회) 제외 공사 안내간판- 공사 안내간판 4개소 반영34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 반포천 유역 분리터널 건설공사 <그림 5> 유역분리터널과 지하철 3호선 위치도 5. 지반조건에 따른 설계 변경 본선 터널 굴착공법인 Open TBM은 NATM과 굴착 방법은 다르지만 록볼트, 숏크리트, 강지보 등 지보보강이 병행되 는 공법으로, 각 암반등급을 패턴화하여 적합한 지보 설계를 통해 안정성을 확보하는 방식이다. 국내에서는 아직 Open TBM에 대한 정확한 지보보강 설계 확립이 되어 있지 않아 NATM 기준을 준용하여 지보를 구성하고 있으며, NATM을 기준으로 적용하다보니 기계화굴착 취지와 맞지 않게 많은 보강 수량과 함께 불합리한 시공 기준을 요구하고 있다. 실질 적으로 TBM장비는 L1과 L2 구간으로 구분하여 L1구간에서는 굴착 및 전방보강 L2구간에서는 록볼트 및 숏크리트보강 을 실시하고 파쇄대 및 암질불량 구간에 한하여 L1구간에서 강지보 등 보강을 할 수 있도록 계획되어 있으나, 아직 국내 에서는 설계 시 NATM의 기준으로 L1에서 록볼트 및 숏크리트보강을 하도록 요청하고 있으며, 이는 기계화시공의 특성 을 고려치 못한 사항으로 시급히 개선되어야 할 부분이라 생각된다. 본사업에 적용된 TBM은 장비에 옵션의 보강장비가 설치되어 있지 않은 장비로 지반의 상태에 따라 굴진효율이 큰 영 향을 받는 장비이다. 반포천 유역은 호상흑운모편마암으로 대부분의 지역이 구성되어 있고, 이들 지역의 기반암은 대부분이 화강암질 편마 암, 호상편마암 등으로 구성되어 여러 방향의 불규칙적인 절리가 발달되는 것이 특징이다. 당초 지반조사결과에 따르면 본 유역분리터널이 통과하는 구간은 전체가TCR/RQD = 78~100/11~100인 연· 경암으로 양호하며, 암반등급 Ⅲ 이상이 전체 지반의 80.2% 이었다. 하지만 본 공사 착수 후 막장면에서 붕락이 발생하여 암판정시험을 실시한 결과, 붕락구간의 지반 대부분이 지역 기반 암의 특성상 터널 굴진 방향을 따라 절리가 발달되어있으며, 파쇄대가 넓게 분포하여 교차 절리에 따른 쐐기 파괴가 터 널 전구간에 걸쳐 발생되었다. 이후 암반 절리 및 파쇄대로 인한 붕락 발생 구간의 안정성 확보, 추가 붕락 방지를 위하 여 보강공법을 시행하는 것이 타당하다고 판단되어 당초 계획된 지보에서 설계 변경을 진행하여 TYPE-Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ → TYPE-Ⅳ로 변경하여 지보보강 계획을 아래와 같이 변경하였으며, 이에 따라 TBM의 굴진효율이 현저히 저하되어 TBMVol. 23, No. 4 35 장비를 후방으로 반출도 고려하였으나, 도심지 구간의 안전성 확보를 위해 NATM공법의 적용이 불가하고, 무진동암파 쇄공법 및 비개착공법 등 타공법과 비교 시 Open TBM공법 적용 시보다 공사기간 및 공사비에서 우위의 공법이 없는 것 으로 판단 Open TBM공법을 계속 적용하여 당초보다 공사기간은 증가하였으나, 공사비의 큰 증액 없이 무사히 터널을 안전하게 관통할 수 있었다. <표 3> 지보패턴 연장 및 지보설계 당초변경변경된 지보 설계 당초지보패턴연장(m)변경지보패턴연장(m)지보 간격락볼트 간격라이닝 보강 P-154P-4 852 0.3m~1.5m 종방향 : 1.5m 횡방향 : 1.6m 철근보강 및 강관보강그라우팅 P-2114P-4 P-3288P-4 P-4388P-4 P-540P-542C.T.C 1.2m 종방향 : 1.2m 횡방향 : 1.6m 합계884m894m (당초) : L= 884m(TBM) + 60m(NATM) (변경) : L= 894m(TBM) + 50m(NATM) <표 4> 지보패턴도 구분지보 패턴별 지보 방법 당초 단면도 지보 패턴P-2P-3P-4 변경 단면도 지보 패턴P-1, P-2, P-3, P-4 36 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 반포천 유역 분리터널 건설공사 6. TBM 굴착시 막장 절리로 인한 붕락 발생 Gripper TBM 굴진 중 터널 내 암반이 설계와 상이하여 교차 절리에 따른 쐐기 파괴가 지속적으로 발생하였고, 이에 따라 터널 천단부 및 측벽부에서 지속적으로 붕락이 발생하였다. 지보 보강 및 붕락구간 낙반버력 처리 등으로 굴진율이 약 100m/month에서 약 40~50m/month 정도로 감소되었고, 유입부 지장물 이설 지연 등으로 10개월 이상의 공기 연장 조치가 취해졌다. 앞서 언급한 여러 어려움으로 공기가 연장되었지만, 지보 패턴 변경을 통해 추가 붕락을 막을 수 있었고, 붕락으로 인 한 사고 없이 성공적으로 TBM 굴착을 완료하였다. □ 해당 붕락구간 낙반버력 처리 및 보강공사 시행 - 붕락구간 처리 : 붕락구간 강지보 설치 → 낙석 갱외반출 → 강재보강(ㄷ형강) 및 EPS블럭 설치 → Clampping Pad 구간 철판 설치 → 모르타르 충진 및 양생 → 붕락구간 숏크리트 타설 - 천단부 대규모 붕락구간 : 강관 다단 그라우팅 시공 <표 5> 붕락구간 처리 및 보강공사 현황 종단면도단면도 - 강지보 간격조정 → 강판보강 및 모르타르 충진 /강재 보강 → EPS블록 채움 → 모르타르 충진 <표 6> 강관 다단 그라우팅 시공 현황 종단면도단면도 - 천공 및 강관삽입 → 코킹 → 실링 → 주입Vol. 23, No. 4 37 7. TBM 굴진 완료 및 2021년 여름철 침수예방을 위한 임시통수 실시 본 공사는 침수해소를 위해 계획된 하수터널로 여름철 이전 공사를 완료하고 통수를 실시 할 계획 이었으나, 지장물이 설 지연, 지반여건 악화 등에 따라 공사기간이 지연되어 준공일정이 지연되었으나, 2020년 국내 역대 최장 장마가 발생 과 빈번한 집중호우 등을 고려, 과거와 같은 강남지역 침수를 되풀이 하지 않기 위하여, 공사 중지 후 터널의 임시통수 조치가 내려졌다. 임시통수 전· 후 현장정리 기간 1개월을 포함하여 총 4개월동안 공사 중지 및 임시 통수가 진행되었다. 단 TBM 굴진 완료 후 일부구간 가시설 상태에서 임시통수를 시행하는 것이므로 안전성 확인을 위해 정밀안전진단 용역 및 수리검토 를 시행 후 임시 통수를 하였으며, 통수 기간 동안 수차례의 강남역구간 우수의 월류가 발생하여 반포천 유역 분리터널 로 유입되는 것을 확인하였으나, 더 이상은 과거와 같은 침수는 발생하지 않았다. 지하철 3호선 인접시공과, 파쇄대, 풍화대 및 터널 전반에 걸친 수평 및 수직 절리로 인한 교차절리로 전방부 보강 및 굴진 후 지보보강 등 큰 어려움을 겪었지만, 무사히 TBM 굴진을 완료하여 2021년도 임시통수 실시로 강남역 일대의 침 수예방에 큰 도움을 주었고 현재 마무리 공사인 콘크리트라이닝 공사가 진행중이며, 2022년 3월 준공 예정이다. 준공 후 강남역 일대의 홍수 대응 능력을 크게 향상시킬 것으로 예상된다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Next >