< Previous굴착공사 시 지반 안정성 평가 현황 및 제언 18 자연,터널 그리고 지하공간 <표 1> 지반안전성 검토범위 산정 결과 비교표(서울청)단위 : m 지역현장굴착깊이(H)이론 및 경험식수치해석 검토결과 적용검토범위 서울청 119.334.538.2수치해석1.98H 219.939.937.0이론 및 경험식2.00H 314.629.213.0이론 및 경험식2.00H 415.531.010.0이론 및 경험식2.00H 517.434.934.5이론 및 경험식2.00H 614.629.218.0이론 및 경험식2.00H 719.839.633.9이론 및 경험식2.00H 818.937.721.0이론 및 경험식2.00H 921.943.710.0이론 및 경험식2.00H 1025.050.046.0이론 및 경험식2.00H 1115.330.532.0수치해석2.10H 1219.739.415.0이론 및 경험식2.00H 1319.739.437.4이론 및 경험식2.00H 1419.739.440.0수치해석2.03H 1511.623.215.0이론 및 경험식2.00H 1613.226.330.0수치해석2.28H 평균값17.92.0H(35.5)1.50H(26.9) <표 2> 지반안전성 검토범위 산정 결과 비교표(부산청)단위 : m 지역현장굴착깊이(H)이론 및 경험식수치해석 검토결과 적용검토범위 부산청 140.180.255.2이론 및 경험식2.00H 213.727.426.7이론 및 경험식2.00H 329.559.042.0이론 및 경험식2.00H 421.142.268.6수치해석3.25H 519.238.435.0이론 및 경험식2.00H 616.533.040.5수치해석2.45H 726.252.411.4이론 및 경험식2.00H 844.590.0132.0수치해석2.97H 919.176.440.8이론 및 경험식2.00H 1049.799.430.0이론 및 경험식2.00H 1120.941.730.4이론 및 경험식2.00H 1218.036.034.0이론 및 경험식2.00H 1325.851.641.9이론 및 경험식2.00H 1420.641.240.0이론 및 경험식2.00H 1519.839.625.0이론 및 경험식2.00H 1618.336.530.0이론 및 경험식2.00H 평균값25.22.0H(52.4)1.69H(42.7)Vol. 26, No. 4 19 <표 3> 지반안전성 검토범위 산정 결과 비교표(익산청)단위 : m 지역현장굴착깊이(H)이론 및 경험식수치해석 검토결과 적용검토범위 익산청 117.034.037.5수치해석2.21H 230.260.060.0수치해석1.98H 311.923.715.7이론 및 경험식2.00H 419.939.832.0이론 및 경험식2.00H 517.735.460.0수치해석3.39H 614.428.736.0수치해석2.51H 716.633.116.4이론 및 경험식2.00H 830.561.048.8이론 및 경험식2.00H 918.236.320.0이론 및 경험식2.00H 1019.639.139.6수치해석2.02H 1112.324.620.0이론 및 경험식2.00H 1218.937.835.6이론 및 경험식2.00H 1327.254.526.0이론 및 경험식2.00H 평균값19.62.0H(39.1)1.76H(34.4) 4. 제 언 4.1 국내 지반 특성 고려 필요 검토 결과, 지하안전평가 검토 범위 산정 시 이론식 및 경험식이 높은 비율로 적용되며, 수치해석에 비해 평균적으로 보수적인 결과를 도출하고 있다. 이는 기존 이론식 및 경험식이 주로 사질토와 점토를 기준으로 개발되었기 때문에, 상대 적으로 암반이 저심도에서 나타나는 국내 지반 조건과 흙막이 벽체 공법을 충분히 반영하지 못하는 한계에서 기인한 것으 로 판단된다. 따라서, 기존 이론식 및 경험식의 한계를 보완하고, 국내 지반 특성과 시공 환경을 충분히 반영한 개선된 영향 범위 산 정 방법의 개발이 요구된다. 4.2 실효성 있는 현장 계측 데이터 필요 개선된 영향 범위 산정 방법을 개발하기 위해서는 수치해석 결과가 필수적이다. 그러나 현행 매뉴얼에서는 수치해석 결과의 신뢰성 확보가 미흡하며, 현장 계측값도 신뢰성이 떨어져 검증 자료로 활용하기 어려운 실정이다. 예를 들어, 배면 침하량 검토 시 일반적으로 사용되는 지표침하계는 주로 포장면에 설치되므로, 굴착으로 인해 발생하 는 지표 아래 침하를 파악하기 어렵다. 또한, 교통량이나 자연 조건에 따른 변동성이 크기 때문에 계측 데이터의 신뢰성 확보가 제한적이다. 굴착공사 시 지반 안정성 평가 현황 및 제언 20 자연,터널 그리고 지하공간 보다 신뢰성 있는 데이터를 확보하기 위해서는 지중침하계를 활용한 계측이 필요하다. 지중침하계는 지표 아래 침하를 정밀하게 측정할 수 있어 신뢰성 있는 데이터를 제공할 수 있다. 하지만 설치 비용이 높고 시공 과정이 복잡하여 많은 현 장에서 적용되지 못하고 있는 것이 현실이다. 따라서, 자동화 계측시스템과 함께 지중침하계 설치를 포함한 계측 시스템 개선, 경제적 ․ 기술적 지원 방안 마련이 필 요하다. 이를 통해 신뢰성 있는 계측 데이터를 기반으로 수치해석 결과를 검증하고, 기존 이론식 및 경험식을 개선하여 국내 지반 특성을 반영할 수 있을 것으로 기대된다. 참고문헌 1. 국토안전관리원 (2021) 지하안전영향평가서 검토 사례집 2. 국토교통부 (2024) 지하안전평가서 표준매뉴얼 3. Peck, R.B. (1969) Advantages and limitations of the observational method in applied soil mechanics. Geotechnique, 19(2), 171-187. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 26, No. 4 21 기술기사 1 1. 개 요 최근 철도의 지하화와 관련하여 시민적 요구와 정부의 지원에 힘입어, 2024년 1월 철도 지하화특별법이 제정되었고, 각 지자체들이 이의 실현을 위한 구체적인 노력들을 가시화하고 있다. 특히, 서울시의 경우 2024년 10월 서울 시내 지상 철도의 지하화 계획을 수립하여, 정부와 협의에 착수한다고 발표한 바 있다. 지상 철도의 지하화는 현재 운영 중인 터널구간 철도의 효용성과 편익 확대 가능성관 관련한 문제점을 되돌아보는 계 기를 마련하였다. 지하철도 건설 이력은 서울 지하철 1호선을 기준으로 50년이 넘는다. 그 기간 동안 대단위 지상개발이 운영 중 철도(지하철) 본선터널에 신규 정거장 설치기술 신종호 건국대학교 사회환경공학부 교수 유제남 (주)유신 철도부 부사장 <그림 1> 지하철도 지상여건 변화와 정거장 신설민원 요구 예22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 운영 중 철도(지하철) 본선터널에 신규 정거장 설치기술 진행되었고, 지상 여건이 변화하면서 지하철도 이용과 관련한 다양한 민원이 발생해왔다. 대표적 예가 그림 1에 보인 바 와 같이 터널이 통과하는 지상의 미개발지가 개발되면서 정거장간 거리가 긴 구간의 중간에 추가 역사를 신설해달라는 요 구이다. 일반적으로 초기에 지하의 낮은 심도에 건설된 지하철(철도) 노선의 경우, 건설 당시 도시 개발이 충분히 이루어지지 않아 정거장간 거리가 긴 구간이 존재하였다. 하지만, 지하 본선구간의 지상부가 개발되면서, 여건이 달라진 것이다. 초 기 지하철 계획 시 정거장간 거리를 통상 2.0km 내외로 계획하였으나, 추가 노선이 교차되면서 환승역 설치에 따라 정거 장간 거리 기준을 준수하지 못하는 경우가 발생하였고, 정거장 설치와 관련한 노선 주변 주민들의 민원 등으로 정거장간 거리가 점점 더 짧아져 최근에는 0.5~1.0km인 사례가 흔히 발생하고 있다. 정거장간 거리가 긴 지하철(철도) 터널 중간에 새로운 정거장을 신설할 수 있다면, 시민들의 민원해소는 물론, 변화된 도시구조에 대응하여 시민의 지하철(철도) 이용 서비스를 확대하여 시민의 교통편의 증진은 물론, 지역경제 발전에도 크 게 기여할 수 있다. 운영 중인 지하철도 구간에 정거장을 신설해달라는 민원은 지하구조물이 개착식 철근 콘크리트 박스로 건설된 경우, 구조물 주변을 안전하게 굴착가능하고, 운영을 하면서도 구조물을 변경할 수 있는 철거 및 증축기술이 개발되어 열차 운 영을 중단하지 않고도, 정거장의 확장이나 신설에 대한 기술적 검토가 가능하다. 서울 지하철 1호선 동묘역, 2호선 삼성 역, 9호선 봉은사역 등과 같이 기존의 박스 구조물 구간에 정거장을 신설하거나 기존 정거장의 구조를 변경하는 사례가 다수 있다. <표 1> 지하철도의 정거장간 거리 예 노선구간(정거장)역간거리(km)비고 지하철 3호선구파발 연신내2.0최소 0.625km 분당선 오리죽전1.8 상갈청명2.8 모란야탑2.3 신분당선 양재시민의 숲청계산2.9 청계산입구판교8.2 판교 정자3.1 정자미금2.9 미금 동천 2.6 상현광교중앙2.4 하지만, 터널구간에 역사를 신설하는 문제는 개착구조물의 경우와 전혀 다르다. 터널은 지반과 일체로 유지되는 구조 물이므로 열차 운행을 중단하지 않고, 터널주변 지반을 굴착하거나 터널형상을 변경하기 어렵다. 터널 주변 굴착 및 라이 닝 개구(opening) 등의 작업이 기존 터널에 변상 및 균열 등을 초래하여 안정성을 확보하기 어렵기 때문이다. 따라서, 지 금까지의 기술로는 운영 중인 본선 터널구간에 정거장을 신설하기 위해서는 열차운행 중단이 불가피하다. 정거장을 신설 하기 위하여 수년간 운행해온 지하철 서비스를 중단하는 것은 역사 신설 요구민원 보다 훨씬 더 큰 시민적 저항에 부딪힐 Vol. 26, No. 4 23 것이므로 실현가능성이 거의 없다. 운영 중인 지하철의 운행 중단의 불가피성, 그리고 터널 구조물의 안정성 확보의 기술적 어려움으로 터널 구간의 정거 장 신설 요구 민원은 여전히 풀지 못하는 숙제로 남아 있는 실정이다. 따라서, 기존 지하철의 운영 중단 없이, 터널 구조 물의 안정성을 확보하며 정거장을 신설할 수 있는 새로운 기술의 개발이 절실하다. 지역에 따라 정거장 신설 민원이 수십 년 이상 지속되어오면서, 비전문가인 시민들간 수많은 논의가 있었고 그 과정에 서 터널 정거장 신설 방안에 대한 다양한 창의적인 제안들이 표출되기도 하였다. 본고에서는 이 분야 기술개발에 대한 전 문가적 논의의 장을 마련하고, 기술적, 경제적으로 구현 가능한 터널 정거장 신설방안을 모색해보고자, 전문가들의 조력 을 통해 기술적 실현 가능성이 검토된 하나의 기술적 방안을 소개하고자 한다. 2. 운영 중 본선터널에 신규 터널 정거장 설치개념 운영 중 터널의 본선구간에 정거장을 설치하는 데 있어 풀어야 할 문제는 어떻게 기존 터널의 안정을 확보하며, 운행을 간섭하지 않고 신설 정거장을 도입할 수 있는가 이다. 역간 거리가 긴 터널 노선의 경우 대개 지상개발이 이루어지기 전에 건설된 초기 지하철 또는 오래된 철도 노선인 경우가 대부분이다. 이 경우 터널구조물의 노후 문제가 상당히 진전된 상태 로 안전을 확보하며 구조를 변경하는 일이 쉽지 않다. 특히 터널은 지반과 라이닝이 일체화된 구조물로서 지반을 걷어내 면 터널의 형성원리가 지속되지 못하여 구조 안정성 문제가 발생한다. 기존 운영 중 지하철 본선터널의 중간에 추가 역사를 신설하는 기술의 기본원리는 기존 터널의 안전에 영향을 미치지 않는 거리만큼 이격된 수직구를 굴착한 다음, 여기에서 기존 본선터널과 평행방향으로 승강장 터널을 굴착하고, 승강장 터널에서 기존 본선터널로 출입문 연결터널을 굴착하는 개념이다. 그림 2에 기존 본선 터널에 신설되는 터널정거장 단면을 예시하였다. 본선이 복선터널인 경우 출입문을 열수 있는 좌 우측에, 단선병렬인 경우, 우측터널의 우측 그리고 좌측터널의 좌측에 출입문과 승강장을 잇는 연결통로를 설치한다. 이 (a) 복선터널 (b) 단선터널 <그림 2> 기존 운영 중 본선 터널에 터널 정거장 신설 단면24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 운영 중 철도(지하철) 본선터널에 신규 정거장 설치기술 기술의 핵심 착안점은 수직구와 승강장 터널이 기존 본선과 충분히 이격되어 기존 터널의 안정에 영향을 미치지 않도록 하는 위치 선정이라 할 수 있다. 수직구와 승강장 터널을 이격하여 건설함으로써 본선 터널의 안정을 위협하지 않고, 철 도 운행의 간섭을 최소화할 수 있다. 또한, 기존 본선터널을 대규모로 절단하지 않고, 출입문 규모만큼만 개구(opening) 하여 연결터널을 설치함으로써 기존 터널구조물의 구조적 안정성을 확보한다. 그림 3은 복선 터널 정거장에 대하여 신설 터널 정거장에 대한 횡단, 평면 및 측면 구성을 예시한 것이다. 신설 터널 정 거장의 구성요소는 공사 중에 작업구로 사용되고 완공 후 출입구로 사용되는 2개 이상의 원형 혹은 구형의 수직구(또는 개착), 신설 정거장은 본선터널의 외곽에 터널과 평행하게 열차 총길이 이상으로 설치되는 승강장 터널, 그리고 각 열차 의 출입문과 승강장을 연결하는 다수의 소규모 연결터널로 구성된다. 이와 함께 양측 승강장을 연결하는 연결통로 및 기 능실 공간, 배수처리를 위한 집수정, 스크린 도어 등의 기능시설을 배치할 수 있다. (a) 횡단면도 (b) 평면도(1차량(car) 구간)(c) 측면도(1차량 구간) <그림 3> 운영 중 본선터널에 신설 터널 정거장 설치 개념도Vol. 26, No. 4 25 3. 신설 터널 정거장 구성 요소별 설계방안 혁신적인 아이디어를 현실로 구현하는 데에는 많은 검증과 기술적 확신이 필요하다. 특히 본 기술과 같이 기존터널의 안정성을 확보하고, 운행을 중단하지 않으면서 신규 정거장을 신설하고자 하는 경우 시설의 위치와 규모에 대한 다양한 검토는 물론, 공사 중 리스크에 대한 사전검토와 시공방안 등에 대한 상세검토가 필요하다. 신설 터널정거장 건설에 필요 한 설계착안사항 및 주요 검토 내용은 다음과 같다. ∙ 기존 본선터널: 주변 지반 굴착 영향, 연결터널 라이닝 개구에 따른 안정성 ∙ 수직구: 위치, 본선터널과 이격거리, 배치방법, 형상, 개착 가능성, 진출입 활용방안 ∙ 승강장터널: 본선터널과 이격거리, 승강장 건축한계, 연결터널 굴착방안 ∙ 연결터널: 라이닝 개구 안정성, 승강장 터널과 기존 본선터널 사이(pillar) 지반의 보강 ∙ 상하행선 승강장 연결 통로: 위치 및 규격 ∙ 기능실 등(기계, 전기, 운영): 시설규모, 배치, 운영 ∙ 기존 본선터널 개구부: 플랫폼, 안전난간, 스크린 도어 <그림 4> 신설 터널 정거장 구성요소와 명칭 3.1 기존 본선터널 안정성 검토와 보강 정거장 신설 민원이 발생하는 대부분의 기존 본선터널은 건설이후 상당기간이 경과한 구조물로서 설계, 시공, 안전 진 단 자료에 기초하여 구조적 성능을 평가하고, 근접굴착 및 라이닝 개방에 따른 안정성을 검토하여 필요시 지반 및 터널 구 조물(라이닝)에 대한 보강이 우선되어야 한다. 26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 운영 중 철도(지하철) 본선터널에 신규 정거장 설치기술 기존 본선터널의 보강은 록볼트 혹은 라이닝 벽체에 대한 섬유보강공법 등을 적용할 수 있으며, 필요시 주변 지반 보강 을 통해 터널 안정성을 증진시킬 수 있다. 기존 터널의 보수보강 작업은 작업시간 제약, 공간제약에 따른 공법의 적용 한 계를 고려하여야 한다. 특히, 출입문 연결터널을 위한 기존 터널 라이닝의 개구작업(opening)은 별도의 안정성 검토와 보강방안을 수립하여야 한다. 그림 5에 기존 본선터널의 보강을 예시하였다. 필요한 경우, 록볼트, 그라우팅 공법 등을 이용하여 터널 주변지반을 보강할 수 있다. 그라우팅공법의 경우, 주입압이 크면 라이닝 손상이 야기될 수 있으므로 보강 범위, 주입압 등에 대한 사전검토가 필요하다. <그림 5> 기존터널 사전 보강 예(록볼트 지반보강, 라이닝 섬유보강) 3.2 수직구 설치 터널의 심도가 얕고 지상 개착이 가능하다면 수직구 건설 없이 개착방식으로 승강장을 건설하고 연결터널을 굴착하면 된다. 하지만, 터널심도가 깊거나 지상 개발이 이루어져 개착이 제한되는 경우, 수직구를 이용한 터널굴착이 불가피하다. 수직구는 승강장 터널굴착 시점부이며, 승강장과 기존본선터널을 연결하는 연결터널의 굴착시점이 된다. 수직구는 건설 중에는 굴착 작업 공간, 운영 중에는 정거장 진출입로 및 기타 정거장 기능실 공간으로 계획할 수 있다. 출입문 연결터널 굴착은 기존 본선터널의 근접굴착과 개구를 포함하므로 안전관리가 중요하다. 사전에 본선 연결에 따 른 설계를 검증하고, 안정성을 검증하기 위해서 공간이 충분한 수직구에서 사전 시범공사를 시행하여 성과를 피드백하여 향후 연결터널을 본 굴착에 반영하는 것이 바람직 할 것이다. 승강장의 상하행선을 연결하는 통로도 수직구 중간 또는 하 부에서 굴착하여 접속시킨다. 따라서 수직구 계획 시 연결통로 접속계획도 함께 검토한다. 3.2.1 수직구 배치방법 (위치 선정) 수직구 위치는 지상의 부지확보 가능성, 접근동선 등 정거장 전체 공간계획을 고려하여 선정하며, 수직구는 부지 획득 의 가능성에 따라 유연하게 배치할 수 있으나, 가급적 승강장 터널 중앙에 위치시켜 양측 수직구를 잇는 경우, 편의성과 시 공성을 제고할 수 있다. 수직구의 위치는 연결되는 승강장 터널 굴착이 기존 본선터널의 안정에 영향을 미치지 않도록 이 격하는 것이 매우 중요한 설계착안사항이라 할 수 있다. 또한 수직구를 지상 출입구로 이용하기 위해서는 수직구 위치와 Vol. 26, No. 4 27 출입시설 위치를 일치시키는 것이 바람직하다. 3.2.2 수직구의 규모와 형상 수직구의 규모는 진출입 계획을 포함하여 검토할 수 있으며, 터널 여건에 따라 공사시행방안, 기능실 배치, 연결통로 배치 등을 고려하여 심도와 규모를 정할 수 있다. 수직구의 형상도 현장상황에 따라 원형, 구형을 다양하게 선정할 수 있 다. 만일 기존 본선터널의 심도가 얕고, 터널의 지상에 제약이 없다면, 별도의 수직구 없이 개착방식으로 전체 승강장을 계획하는 방안도 가능하다. 그림 6은 다양한 수직구 배치 예를 보인 것이다. 그림 6(a),(b)는 공사편의에 따라 다수의 수 직구를 설치하는 경우이며, 수직구의 형상도 현장여건에 따라 임의로 설정할 수 있다. 기존 본선터널의 깊이가 깊고 근접 굴착이 어려운 경우 원형 혹은 구형 수직구를 이용하여 승강장 터널을 건설한다. 반면, 터널심도가 얕고, 지상여건이 기 존 터널의 근접굴착이 가능한 경우라면, 굴착영향을 고려하여 적어도 연결 터널의 길이만큼 이격하여, 그림 6(c)와 같이 개착방식을 적용하는 것이 유리할 것이다. 수직구의 바닥 심도는 하부에 집수정 설치 등을 고려하여, 기존터널심도 이하 로 할 수 있다. 다수의 수직구를 설치하여 공사편의를 도모하고, 운영중 출입구나 환기구로 사용할 수 있다. (a) 양단 배치(b) 임의 배치(c) 개착 <그림 6> 수직구 배치 및 개착 예 3.3 승강장 터널(또는 개착) 승강장 터널은 본선터널과 평행하게 설치하며, 기존 본선터널과 이격거리가 증가할수록 본선터널에 미치는 근접굴착 의 영향을 배제할 수 있으나 열차 승하차 동선이 길어지는 문제가 있다. 따라서 승강장터널과 기존 본선 중 터널 간 이격 거리는 기존터널의 안정을 저해하지 않는 범위 내에서 최단거리로 계획하는 것이 유리할 것이다.Next >