< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 운행선에 근접한 도시철도 터널 설계 사례 과 근접 병행구간은 기존선과의 보강간섭을 해소하기 위해 이격거리에 따라 터널 보강공법을 차등 적용하였다. 최소 이격 구간인 시점부는 초대구경 수평강관 보강그라우팅을 계획하였고 이격거리 2.0m 이내 구간은 강관보강 연장 L=3.0m, 이격거리 2.0~3.0m 구간은 강관보강 연장 L=6.0m, 이격거리 3.0m 이상 구간부터 강관보강 연장 L=12.0m를 적용하 였다. 또한 무진동 굴착공법을 적용하여 발파로 인한 인접구조물의 진동 및 소음의 영향을 배제하였고 근접 및 하부 통과 전구간에 걸쳐 차수그라우팅을 적용하여 굴착 안정성을 확보하였다. <그림 3> 근접 통과구간 평면 현황 (a) 단면 A-A(b) 단면 B-B (c) 단면 C-C(d) 단면 D-D <그림 4> 지층 조건 및 보강 현황Vol. 27, No. 3 49 5. 수치해석을 통한 통과공법 적정성 검토 5.1 기존 운행선 근접병행구간 검토 기존 운행선 근접병행구간에 대한 2차원 수치 해석을 수행하여 지반안정성 및 공법 적정성을 검 토하였으며, 수치해석시 시공방법 및 시공순서를 고려하여 시공단계별 변위 및 응력변화를 분석하 였다. ▪ A구간 (STA.0km100.00) 안정성 검토결과 (a) 연직변위도(b) 수평변위도(c) 숏크리트 휨압축응력도 (d) 록볼트 축력도 <그림 5> 해석결과 구분천단변위내공변위숏크리트 휨압축응력록볼트 축력결과 터널1.75mm0.52mm1.77 < 14.00MPa7.48 < 91.21kNO.K 기존 운행선개착BOX 바닥 슬래브 침하량 : 0.08mm ▪ B구간 (STA.0km157.90) 안정성 검토결과 (a) 연직변위도(b) 수평변위도(c) 숏크리트 휨압축응력도 (d) 록볼트 축력도 <그림 6> 해석결과 구분천단변위내공변위숏크리트 휨압축응력록볼트 축력결과 터널0.99mm1.65mm1.81 < 14.00MPa13.06 < 91.21kNO.K 기존 운행선개착BOX 바닥 슬래브 침하량 : 0.26mm (a) A구간 모델링(b) B구간 모델링50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 운행선에 근접한 도시철도 터널 설계 사례 5.2 기존 운행선 하부 통과구간 검토 기존 운행선 하부통과구간에 대한 3차원 수치해석을 수행하여 지 반안정성 및 공법 적정성을 검토하였으며, 수치해석시 시공방법 및 시공순서를 고려하여 시공단계별 변위 및 응력변화를 분석하였다. ▪ 안정성 검토결과 (a) 연직변위도(b) 수평변위도(c) 숏크리트 휨압축응력도 <그림 7> 해석결과 구분천단변위내공변위숏크리트 휨압축응력록볼트 축력결과 단선터널(상선)0.76mm0.99mm1.44 < 8.40MPa12.68 < 91.21kNO.K 단선터널(하선)0.80mm0.95mm1.24 < 8.40MPa13.42 < 91.21kNO.K 기존운행선개착BOX 바닥 슬래브 침하량 : 0.53mm ▪ 기존 우이신설선 궤도틀림 구분고저틀림방향틀림뒤틀림수평틀림궤간틀림 변위0.24mm0.13mm0.03mm0.09mm0.09mm 허용치7.00mm7.00mm9.00mm7.00mm-3 ~ 6mm 판정O.KO.KO.KO.KO.K 수치해석을 통한 안정성 검토결과 기존 운행선, 단선터널 상선과 하선의 변위 및 지보재 응력, 기존 운행선 궤도틀림 등 모두 허용치 이내로 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었다. 6. 기존 운행선 근접병행구간 및 하부통과구간 계측 계획 6.1 근접병행구간 계측 계획 기존 운행선 구조물은 경사계, 균열계 등 실시간 자동화 계측계획을 수립하고 신설 터널은 지중변위계, 내공변위계, 천 단침하계 등의 정밀 계측계획을 수립하였다. 또한, 상부 도로와 인접 건물의 변위 확인을 위해 지표침하계, 지중침하계, 지하수위계를 설치하여 다각적인 안정성 확보 방안을 수립하였다. 모델링Vol. 27, No. 3 51 <그림 8> 근접병행구간 계측 계획 6.2 하부통과구간 계측 계획 기존 운행선 구조물은 구조물 경사계, 도상침하계, 균열 및 진동 측정계 등 실시간 자동화 계측계획을 수립하고 신설 터널은 천단침하계, 내공변위계, 지중변위계 등의 정밀 계측계획을 수립하였다. 또한, 상부 도로 침하를 확인하기 위한 지표침하계를 비롯해 운영중 유지관리 계측계획 등으로 안정성을 확보하였다. (a) 기존 운행선 구간 (b) 우이신설 연장선 구간 <그림 9> 하부통과구간 계측 계획52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 운행선에 근접한 도시철도 터널 설계 사례 7. 결 론 본 사례는 도심지 내 기존 운행선과 최소 1.4m까지 근접한 조건하에서 도시철도 터널을 계획한 고난이도 사업으로, 협 소한 공간과 민감한 구조물 환경 속에서도 체계적인 보강 설계와 시공관리 전략을 통해 안정성을 확보한 사례다. 특히, 기존선과의 이격거리에 따라 강관보강을 차등 적용함으로써 구조물 간섭을 최소화하고 경제성과 안정성을 동시에 확보한 점이 중요한 기술적 성과로 판단된다. 신설터널과 기존 우이신설선의 이격거리 2.0m 이내 구간에는 강관보강 연장 L=3.0m, 2.0~3.0m 구간에는 L=6.0m, 3.0m 이상 구간에는 L=12.0m로 보강 길이를 단계적으로 조정하여, 기존 운행선에 대한 터널 보강 간섭을 배제하였고 지 반조건과 구조물 현황을 고려한 보강 설계가 이루어졌다. 또한 최소 이격구간에는 초대구경 수평강관 보강그라우팅을 적 용하고, 전 구간에 차수그라우팅 및 무진동 굴착공법을 병행함으로써 인접 운행선의 침하 및 진동 영향을 효과적으로 억 제하였다. 이러한 시공계획의 적정성은 2차원 및 3차원 수치해석을 통해 사전에 검토되었고, 그 결과 터널 변위 및 지보재 응력, 기존 운행선 침하 및 궤도틀림 등 모든 항목이 허용기준 이내로 분석되어 설계의 타당성을 입증하였다. 아울러 정밀 계측 계획을 수립하여 시공 중 실시간으로 구조물과 지반의 거동을 모니터링하고, 이상징후 발생 시 즉각적인 대응이 가능하도 록 하여 공사중 안정성을 확보하였다. 향후 유사한 도심지 철도건설 사업에서는 본 사례를 바탕으로 이격거리 기반의 보강 설계전략, 수치해석 기반 안정성 검토절차, 그리고 계측 중심의 시공관리 방식을 종합적으로 적용함으로써 기존 구조물과의 공존을 전제로 한 안전한 지하 공간 개발이 가능할 것으로 기대된다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]지하공간 안전 확보를 위한 싱크홀 사전 예측 기술과 정책 Vol. 27, No. 3 53 1. 서 론 도심지 싱크홀은 이제 단순한 자연재해로 치부할 수 없는 복합형 인재(人災)로 자리 잡고 있다. 도로, 지하철, 아파 트 단지 한복판에 예고 없이 발생하는 지반침하 즉 싱크홀은 시민의 생명과 재산에 직접적인 영향을 미치며, 반복되는 사고는 도시에 대한 구조적 신뢰를 약화시킨다. 그러나 여전히 많은 시민은 싱크홀이 자신과는 무관한 문제라고 생각하거나, 그 위험을 체감하지 못한 채 살아간다. 지금 우리는 도심지 지하공간의 안전을 공학기술 중심의 사후 대응에 집중해 왔으나 이제는 사회적 감수성과 실질적 대응력으로 함께 접근해야 할 시점에 있다. 본 특집기사에서는 싱크홀, 지반 침하, 지반 함몰을 시민의 시각에서 도시에 대한 신뢰의 붕괴 문제, 그리고 신뢰가 무너진 도시의 미래를 싱크홀 해외 사례를 통해 알아보고, 예방 대책 구성의 기술적 관점에서 사전 예측 기술에 대해 알아보고, 이를 기반으로한 각 지자체별 정책의 현 주소에 대해 알아보고자 한다. 2. 도시 신뢰 붕괴 리스크 도심지 싱크홀 현상은 단순히 물리적 지반 침하에 그치지 않는다. 위험에 대한 심리적 인식만으로도 시민들의 일상 은 큰 영향을 받는다. 특히 주거지 인근에서 지반침하 사고가 발생했거나, 잠재적 위험지역으로 보도된 경우, 해당 지 역의 부동산 가치가 실질적으로 하락하는 현상이 나타난다. 2020년 미국에서 발표된 논문1)에 따르면 싱크홀 위험도가 공개된 지역의 주택 가격은 통계적으로 유의미한 하락을 지하공간 안전 확보를 위한 싱크홀 사전 예측 기술과 정책 : 시민이 체감하는 지하공간 리스크와 사전예방 기술에 관한 고찰 박상헌 ㈜동일기술공사 남부현 경희대학교 사회기반시스템공학과 김종언 에이티엘피 도종남 한국도로공사 윤경조 ㈜포스코특별기고 54 자연,터널 그리고 지하공간 경험했다. 싱크홀로 인한 보험을 청구했다는 사실만으로 집값은 7~9% 하락했고, 실제 청구가 지급되었든, 거부되었 든, 싱크홀이 실제로 존재하지 않았음에도 매수자들은 해당 주택을 리스크로 간주했고, 이는 향후 시장 불신으로 이어 져 도덕적 해이(Moral Hazard)와 기회주의적 사기(Opportunistic Fraud)로 이어질 수 있다고 강조하였다. 이는 단순히 물리적 지반 침하가 아닌, 인지된 위험(Perceived Risk)만으로도 부동산 가치에 영향을 줄 수 있음을 시사한다. 대한민국도 예외는 아니다. 최근 국토교통부는 전국의 지하안전정보를 통합 공개하고 있으나, 정작 실제 현장에서 는 매매, 임대 거래시 해당 정보가 제대로 활용되지 않고 있다. 시민이 위험을 알 권리를 보장받지 못하는 것이다. 시민 이 도시에 대해 느끼는 신뢰 붕괴는 단순한 안전 이슈를 넘어 도시 공간 전체에 대한 불신으로 확대될 수 있으며 부동 산 가격 외에도 이주 수요, 지역 투자 위축에 대한 리스크도 발생할 수 있음을 항상 염두해야한다. <그림 1> 싱크홀로 인한 신뢰 붕괴 예시 이처럼 도심의 신뢰 기반을 위협하는 싱크홀 리스크는 비단 한국만의 문제가 아니다. 해외에서도 유사한 리스크에 직면했으며, 그 대응 방식은 우리가 배울 수 있는 사례를 제공한다. 3. 싱크홀 해외 사례 미국 플로리다주는 싱크홀이 가장 빈번하게 발생하는 지역 중 하나로, ‘Sinkhole State’라는 별칭으로 불릴 정도로 광범위한 싱크홀 발생을 겪어왔다. 그러나 플로리다주와 미국 유관 대학 및 학계의 노력으로 싱크홀 메커니즘의 분류 및 데이터화에 선제적으로 나섰 고, 특히 ‘커버 콜랩스’와 같은 갑작스러운 지반 붕괴에 대비하여, 지반 성분 및 지하수 관리에 대한 정밀 분석이 이어 지고 있다.지하공간 안전 확보를 위한 싱크홀 사전 예측 기술과 정책 Vol. 27, No. 3 55 <그림 2> 美플로리다 윈터파크 싱크홀(1981년) 다음은 중동지역의 이란의 사례이다. 이란의 수도 테헤란은 현재 지반 침하, 교통 혼잡, 대기 오염, 물 부족 등의 문제에 직면해 있다. 특히, 무분별한 지하 수 개발 등으로 인한 지반 침하는 연간 최대 31cm에 달하며, 주요 인프라 시설은 물론 세계문화유산인 프레세폴리스 등 역사적 유적지에도 심각한 위협을 가하고 있다. <그림 3> 이란 테헤란 지반 침하(싱크홀) 사례 이러한 지반 침하와 환경 문제 해결을 위해 이란 정부는 수도를 남부 해안의 Makran 으로 이전하는 방안을 검토하 고 있다. 또한 수도 이전에는 770억~1,000억 달러(한화 약 140조원)의 막대한 비용이 소요될 것으로 예상되어 이란 정특별기고 56 자연,터널 그리고 지하공간 부의 재정적 ․ 사회적 부담을 가중시키고 있다. 두 사례는 하나의 공통점을 말해준다. 눈에 보이지 않는 지하의 문제는 곧 도시 전체를 위협하는 인프라 리스크라는 사실이고, 이제 우리나라도 단순한 복구나 사후 조치가 아닌 사전 예방과 위험관리 중심의 접근으로 전환해야 함을 시 사한다. 4. 도시의 지반을 읽는 기술 지반 침하에 선제적으로 대응하기 위해서는 무엇보다도 사전 예측 기술의 정교화가 핵심이다. 단순히 사고가 난 이 후 원인을 분석하는데 그치지 않고, 도심지 전역의 지반 상태를 지속적으로 모니터링하고, 침하 위험을 조기에 감지하 는 기술적 기반이 필요하다. 최근에는 다양한 기술을 중심으로 싱크홀 예방 기술에 대해 많은 연구와 실험적 검증이 이 루어지고 있다. 본 장에서는 대표적인 3가지 기술에 대해 소개하고자 한다. 1) 지반 침하 위험지도의 시각화 기술 싱크홀 위험지도는 연약지반, 노후관로, 지하수 사용 등을 종합 분석해 도시별 위험등급을 표시하고 있다. 이 기술 을 사용하여 사고 발생 이력과의 상관성이 높은 지역을 체계화한다면 정부는 지반 침하 관리 우선 순위를 설정하는 정 책에 활용할 수 있게 된다. 2) GPR*을 활용한 지하공간 비파괴 조사 지표투과레이더(GPR)* 기술은 전자파를 지표면에 쏘아 반사 신호를 분석함으로써, 지하 공동(空洞) 여부를 비파괴 방식으로 탐지한다. 이는 주요 도로 하부나 주택단지 등 비교적 저심도 싱크홀을 사전 예측하는데 매우 효과적이다. <그림 4> 대전시 관내 GPR 탐사 사례지하공간 안전 확보를 위한 싱크홀 사전 예측 기술과 정책 Vol. 27, No. 3 57 3) InSAR* 인공위성 기반 지반 침하 관측 기술2) Interferometric Syntheic Aperture Radar기법*은 인공위성을 활용해 밀리미터 수준의 지표 높이 변화를 감지한다. 최근에는 AI 기반의 분석기술과 융합되어 도시 전역의 침하 위험도를 시계열로 분석할 수 있게 되었다. 특히, 기상과 관계없이 광역지역을 정밀하게 모니터링할 수 있는 강점이 있어 많은 후속 연구가 수행되고 있다. <그림 5> InSAR 이용한 지반침하 전후 계측원리 이러한 기술들은 지표 아래의 위험을 시각화하고 정량화하는 데 중요한 도구로, 과학기술 기반의 행정 결정을 가능 케 하고 사전 예방과 위험 예측 중심의 도시 안전 전략을 가능케 해준다. 5. 향후 대응 전략 (기술 → 정책 반영) 관련 기술이 성숙되었다면, 이제 중요한 것은 그것을 어떻게 정책에 반영하느냐이다. 최근 국내 지자체들은 사전탐 사 기반의 선제적 대응체계를 갖추기 위해 적극적인 정책을 도입하고 있다. 서울시는 지난 4월부터 GPR 탐사를 강화하고, 노후 하수관 정비 예산을 2배로 확대하는 등의 지반 안전 대책을 전 방위로 강화하는 계획을 발표하였다. 인천시도 2025년 1년간 상수도 시설을 전수 조사하여 약 1,200여건의 싱크홀 위험 요인을 발견하고 즉각 정비에 착 수하였다. 대전시도 침하 위험 예측 시스템을 바탕으로 공공도로 지하공간 안전진단을 확대하는데 동참하고 있다. 이러한 지자체의 시도는 단순히 개별 기술의 도입을 넘어, 도시 차원의 안전관리 전략이 어떻게 구현될 수 있는지를 보여준다. 기술 - 데이터 - 행정의 연결고리를 구축하는 이 흐름은 향후 전국 단위의 지하 안전 체계 확립으로 이어져 야 한다.Next >