Original Article

Tunnel and Underground Space. 30 June 2024. 196-207
https://doi.org/10.7474/TUS.2024.34.3.196

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 현황 분석

  •   2.1 구조물 현황 분석

  •   2.2 지층 조건 분석

  • 3. [종합관리대책 1단계] 기존 지하철 근접도 평가

  •   3.1 근접도 평가 기준

  •   3.2 기존 지하철 인접 시공구간 근접도 평가

  • 4. [종합관리대책 2단계] 기존 지하철 안정성 검토

  •   4.1 지상구조물 시공시 지하철 터널 안정성 검토

  •   4.2 지상구조물 시공시 지하철 정거장 안정성 검토

  • 5. [종합관리대책 3단계] 기존 지하철 궤도 안정성 검토

  •   5.1 궤도 안정성 평가 기준

  •   5.2 기존 지하철 인접 시공구간 궤도 안정성 검토

  • 6. [종합관리대책 4단계] 집중관리구간 선정 및 계측계획 수립

  •   6.1 집중관리구간 선정

  •   6.2 당초 계측계획 현황검토

  •   6.3 추가 계측계획 제안

  • 7. 결 론

1. 서 론

근래 들어 도심지 구간에서 공동주택 건설과 같은 개발행위가 빈번히 이루어지고 있다. 특히 도심지 구간은 지하에 공용중인 구조물들이 다수 분포하기 때문에 지상구조물 시공시 지하 구조물의 안정성 확보를 고려한 신중한 계획을 요구한다. 특히 지하철 인접구간에 시공되는 지상구조물은 기존 지하철 구조물과 궤도에 영향을 미쳐 구조물 안정성 저하 및 궤도틀림과 같은 운행 안전성에 문제를 발생시킬 수 있다. 이 때문에 지하철과 인접하여 공동주택 등의 지상구조물 시공시 기존 지하철의 안정성 확보를 위해 종합적인 관리대책이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 지상구조물이 인접 시공되는 기존 지하철 구간에 대해 4단계 종합관리대책을 제안하여 기존 지하철에 대한 안정성을 확보하고 수치해석 분석 결과를 바탕으로 변위가 집중적으로 발생하는 구간을 집중관리구간으로 선정하여 중점적인 계측관리가 수행되도록 제안하고자 한다.

2. 현황 분석

2.1 구조물 현황 분석

본 연구에서는 지하철 인근의 지하 굴착(가시설 및 말뚝기초 포함) 및 지상 건물 신축 계획에 대하여 검토하였다. 대상 구간은 지하철 직상부에 지상 35층, 지하 4층(굴착깊이 5.0~15.7 m)의 구조물을 축조하게 되며 Fig. 1에 나타나듯 기존 지하철은 공동주택 굴착 바닥면과 25 m(2.8D), 상부 구조물 말뚝 끝단과 12.1 m(1.4D) 수직 이격되어 지상구조물 시공에 따른 기존 지하철의 안정성에 대한 불확실성을 내포하고 있다.

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Fig. 1.

Vertical cross-sectional view of review section

2.2 지층 조건 분석

본 연구의 기존 지하철은 NATM 터널로 계획되어 시공되었으며, 터널 구간 중 STA. 10 km735~880에 인접하여 위치한다. Fig. 2에 확인할 수 있듯이 기존 지하철이 위치하는 지층은 대부분 연암 이상으로 이루어져 지반조건은 상당히 양호한 것으로 판단된다.

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Fig. 2.

Geological cross-sectional view of existing subway line

3. [종합관리대책 1단계] 기존 지하철 근접도 평가

3.1 근접도 평가 기준

근접시공이 기존 지하철 시설물에 미치는 영향은 지형, 지질조건, 기존 지하철의 구조, 기존 지하철의 손상정도, 공사종류, 시공방법 등 다양한 조건에 따라 다르다. 지하철 터널의 진행방향 또는 측면에 근접하여 시공하게 될 경우 기존 지하철과 일정한 간격을 유지하나 반대로 지하철 터널 상부 지반을 절토하거나 성토할 경우에는 시공범위에 따라 영향이 각기 다르다.

기존 지하철이 이미 손상을 받은 경우에는 근접시공에 의해 손상정도가 더욱 커질 수 있고, 구조적으로도 손상을 받고 있으므로 시공시 주의를 요한다. 또한 구체적인 손상이 나타나지 않더라도 지하철 터널에 구조적인 결함(콘크리트라이닝 배면에 공동이 존재하거나 콘크리트라이닝 두께가 부족할 경우 등)이 있을 경우에는 근접시공으로 인하여 손상이 더욱 증가되거나 붕괴될 위험성이 있으므로 사전에 충분한 조사가 필요하다(Korea National Railway, 2020b).

기존 지하철 상부에 구조물을 시공할 경우에는 Table 1Table 2과 같은 근접도 기준을 적용한다. Table 1은 잔재토피비(h : 남은토피, H : 원래토피)를 고려한 근접도 평가시의 관리기준(Seoul Metropolitan Rapid Transit Corporation, 2001a, 2001b)이며, Table 2는 말뚝기초를 고려한 근접도 관리기준(Seoul Metro, 2018)을 나타낸다.

Table 1.

Proximity classification using graphical methods (Seoul Metropolitan Rapid Transit Corporation, 2001a, 2001b)

Remnant cover rate (h/H) Proximity classification
0.25 under Limited range (range of required measures)
0.25 ~ 0.5 Caution range
0.5 more Unconditional range
Table 2.

Management standards according to proximity when excavating around tunnel structures (Seoul Metro, 2018)

Grade Adjacent construction type Detail Inspection criteria
A Based on the outside line of
the structure
Area below the 45° downgrade line from the side wall spring line point. Once a week
B Between 2.0 and 3.0 De outside the structure (De : Tunnel diameter) 2 times a month
C Ranges other than grades A and B within a range of 30 m Once a month

3.2 기존 지하철 인접 시공구간 근접도 평가

기존 지하철 상부에 신축 공동주택이 시공되는 근접시공을 고려하여 검토대상구간에 대한 근접도 평가를 수행하였다. 기존 지하철에 대한 근접도 보정치를 고려한 근접도 평가 결과 Fig. 3(a)와 같이 무조건 범위에 해당하여 상부 공동주택 시공에 따른 기존 지하철의 영향은 미소할 것으로 판단된다.

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Fig. 3.

Result of Proximity evaluation when excavating around tunnel structures

신축 공동주택의 말뚝 시공에 따른 근접도 평가를 수행한 결과 Fig. 3(b)와 같이 신축 공동주택의 말뚝은 기존 지하철의 외측선 0~2.0De(굴착금지구간 제외) 범위로 “A급 범위”에 해당되어 시공중 하부 구조물 변위 및 변형 발생에 대한 정밀계측을 주 1회 이상 실시하는 특별관리가 요구되는 것으로 나타났다.

4. [종합관리대책 2단계] 기존 지하철 안정성 검토

4.1 지상구조물 시공시 지하철 터널 안정성 검토

기존 지하철 터널 직상부 건물 신축에 따른 시공 중 지반굴착 단계를 모사하여 기존 지하철 터널과 가시설 설치, 터파기를 이용한 굴착작업 및 신축 공동주택 완공 등의 단계별 시공순서에 대한 안정성 검토 3차원 모델링을 Fig. 4와 같이 수행하였다. 시공단계에 따른 적용 하중은 기존 지하철 터널의 LS-22 하중(Korean National Railroad, 1999), 굴착 후 시공되는 상부 구조물의 하중은 일반층 12 kN/m2, 기초층 20 kN/m2 를 적용하였으며, 지상의 구조물 시공에 따른 지하수위 저하를 고려한 침투-응력 연계해석을 적용하여 지하수위 저하에 따른 기존 지하철의 안정성 확보 여부를 검토하였다.

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Fig. 4.

3D modeling by construction step according to new superstructure construction

지상구조물 시공에 따른 기존 지하철의 안정성 검토를 위해 터널 변위 분포 경향 및 검토결과를 Fig. 5Table 3에 정리하여 나타내었다.

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Fig. 5.

Displacement and member force results according to construction stage

Table 3.

Displacement and member force results according to construction stage

Crown displacement (mm) Convergence displacement (mm) Flexural compressive stress (MPa)
Review the results 1.88 1.32 2.73
Apply < ±3.0 (O.K) < ±3.0 (O.K) < 10.8 (O.K)

안정성 검토결과 기존 지하철 터널은 터파기 굴착 및 지상구조물 시공 등에 대해 서로 다른 변위양상을 보이며, 콘크리트라이닝에 발생한 최대 천단변위와 내공변위는 각각 1.88 mm, 1.32 mm로 지하철 터널 변위 관리기준의 안전기준 ±3 mm를 만족하여 안정한 것으로 나타났다. 부재력의 경우 2.73 MPa로 허용기준인 10.8 MPa 이하인 바 지상의 구조물 시공에 따른 영향은 미소한 것으로 판단된다.

4.2 지상구조물 시공시 지하철 정거장 안정성 검토

정거장 구조물 구간 시공단계별 변위 분포 경향을 Fig. 6에 나타내었다. 수치해석 결과 정거장 구조물의 최대변위 발생위치는 시공단계별로 다르게 발생되는 것으로 확인되었다. 터파기 굴착시에는 터파기 인접부에서 수평방향 변위가 우세하게 발생되었으며, 신축 공동주택 시공 후에는 공동주택 인접부에 연직변위가 크게 발생하는 것으로 확인되었다. 시공단계별 정거장 구조물의 최대 발생 변위값은 0.14 mm로 구조물 최대 침하량 허용기준인 25.0 mm 이내로 안정성이 확보된 것을 확인하였다.

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Fig. 6.

Displacement distribution of subway station according to the construction stage of new structures

Table 4Fig. 7은 수치해석을 통해 획득한 정거장 구조물의 발생 변위를 바탕으로 Son and Cording(2005)에 의해 제시된 각변위-수평변형율 관계도표를 활용하여 손상도를 평가한 결과이며, NEGL(무시) 등급으로 나타나 안정한 것으로 판단된다.

Table 4.

Station structure damage assessment results

Maximum subsidence (mm) Differential settlement (mm) Angular displacement Horizontial strain
Tolerance 25.0 30.0(0.003s) 1/500 1/2,000
Station 0.14 0.19 1/96,257 1/69,231
Evaluation O,K O,K O,K O,K

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Fig. 7.

Station structure damage assessment results (Son and Cording, 2005)

5. [종합관리대책 3단계] 기존 지하철 궤도 안정성 검토

5.1 궤도 안정성 평가 기준

선로의 역할은 선형(line form)에 정해진 차륜 주행로를 확실하게 실현하는 것이나 시공오차, 시간 경과에 따른 구조물 변형, 인접구간 구조물 신설 등으로 인해 변위가 발생하게 되며 이것을 궤도틀림이라 한다. 열차 운행 중 안정성을 확보하기 위해서는 궤도틀림에 대한 관리기준이 중요하다. 본 검토에서는 기존 지하철 궤도 안정성을 평가하기 위해 선로유지관리지침(Korea National Railway, 2016, 2020a) 및 선로정비규정(Seoul Metro, 2023)을 참고하여 적용하였다.

선로유지관리지침에서는 경제성, 내구연한 및 안정성 등을 고려하여 5개의 관리단계로 분류한다. 도시철도에 대한 설계속도는 최대 120 km/h이나 기존 설계시 보수적인 평가기준 선정을 위해 160<V≤230 km/h에 대한 궤도틀림 평가기준을 선정하여 안전측 관리치를 적용한 것으로 확인할 수 있었다(Table 5 참조).

Table 5.

Existing line rail stability evaluation criteria (Korea National Railway, 2016)

Design velocity (km/h)
(160<V≤230)
Longitudinal level
(mm)
Aligment
(mm)
Cross level
(mm)
Gauge
(mm)
Distortion
(mm)
Completion criteria (CV) ≤ 3 ≤ 3 ≤ 3 -2 ≤ ≤ 5 ≤ 3
Target criteria (TV) ≤ 4 ≤ 4 ≤ 3 -3 ≤ ≤ 11 ≤ 3
Warning criteria (WV) 7 ≤ 6 ≤ 10 ≤ < -3 13 ≤ 6 ≤
Amendment criteria (AV) 11 ≤ 8 ≤ 20 ≤ ≤ -5 15 ≤ 9 ≤
Speed ​​limit criteria (SV) 18 14 - ≤ -9 27 ≤ 15

한편, 선로 정비규정(Seoul Metro, 2023)에서는 정비기준, 유지기준 및 시공기준으로 분류하여 궤도틀림 관리치를 제시하였다(Table 6).

Table 6.

Existing line rail stability evaluation criteria (Seoul Metro, 2023)

Longitudinal level
(mm)
Aligment
(mm)
Cross level
(mm)
Gauge
(mm)
Distortion
(mm)
Repair criteria > 15 > 15 > 13 < -4 > 14
Maintenance criteria ≤ 15 ≤ 15 ≤ 13 -4 ≤ ≤ 14
Construction criteria ≤ 7 ≤ 7 ≤ 7 -3 ≤ ≤ 6

본 연구에서는 Table 5의 선로유지 관리지침 목표기준(Target criteria)과 Table 6의 선로정비규정의 시공기준(Construction criteria)을 비교검토하였으며, 열차운행 안정성 확보를 위하여 Table 7과 같이 가장 보수적인 궤도틀림 기준을 설정하여 궤도 안정성 검토를 수행하였다.

Table 7.

Existing line track stability evaluation criteria (Seoul Metro)

Longitudinal level
(mm)
Aligment
(mm)
Cross level
(mm)
Gauge
(mm)
Distortion
(mm)
Apply ≤ 4 ≤ 4 ≤ 3 -3 ≤ ≤ 6

5.2 기존 지하철 인접 시공구간 궤도 안정성 검토

기존 지하철 궤도 안정성 검토를 위해 기존 구조물 내에 별도의 궤도 구조물을 모델링하여 안정성 검토를 수행하였으며, 수치해석 결과와 변위 분포경향을 Table 8, Fig. 8과 같이 정리하여 나타내었다.

고저 틀림의 경우 최대 0.039 mm, 방향틀림은 최대 0.134 mm 발생하였다. 수평틀림과 뒤틀림은 각각 최대 0.997 mm, 0.145 mm 발생하여 상부 공동주택 시공이 기존 지하철 궤도 안정성에 미치는 영향은 미소한 것으로 판단된다.

Table 8.

Results of existing rail stability review

Longitudinal level (mm) Aligment (mm) Cross level (mm) Gauge (mm)
Rail 1 0.018 < 4.0 (O.K) 0.134 < 4.0 (O.K) 0.807 < 3.0 (O.K) 0.145 < 3.0 (O.K)
Rail 2 0.018 < 4.0 (O.K) 0.127 < 4.0 (O.K) 0.777 < 3.0 (O.K) 0.139 < 3.0 (O.K)
Rail 3 0.018 < 4.0 (O.K) 0.120 < 4.0 (O.K) 0.874 < 3.0 (O.K) 0.135 < 3.0 (O.K)
Rail 4 0.039 < 4.0 (O.K) 0.120 < 4.0 (O.K) 0.997 < 3.0 (O.K) 0.136 < 3.0 (O.K)

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Fig. 8.

Orbital displacement distribution trend

6. [종합관리대책 4단계] 집중관리구간 선정 및 계측계획 수립

6.1 집중관리구간 선정

기존 지하철 및 정거장의 안정성 검토 결과, 앞서 기술하였듯 안정성에 문제가 될 만한 사항은 뚜렷하게 나타나지 않았으나 Fig. 9의 변위분포도에 나타나듯 신축 공동주택과 터널이 근접한 약 50 m 구간(STA. 10 km790~840)에 변위가 집중적으로 발생하여 상부 구조물 시공에 따른 불확실성을 내포하고 있을 것으로 예상되어 집중관리구간으로 선정하였다.

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Fig. 9.

Selection of intensive management zone (STA. 10 km790~840)

6.2 당초 계측계획 현황검토

지상구조물 시공에 따른 기존 지하철의 당초 계측계획은 Table 9에 나타내었다. 균열측정계(4개소) 및 진동측정계(4개소) 설치, 레일변위계 및 전단면 내공변위계는 미설치하는 것으로 계획되었다. 한편 기존 지하철에 가장 큰 영향을 받을 것으로 예상되는 약 50 m 구간에 대한 별도의 관리대책은 수립되어 있지 않은 것을 확인하였다.

Table 9.

Measurement plan for existing operating lines according to new construction

Measurement details Quantity Schematic diagram
Crack measuring meter Tunnel lining structure crack measurement 4EA https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2024-034-03/N0120340302/images/ksrm_2024_343_196_T9.jpg
Vibration measuring meter Measurement of vibration on tunnel structures 4EA
Rail displacement meter Track raildisplacement measurement -
Cross-section internal
displacement tester
Tunnel structure internal
displacement measurement
-

6.3 추가 계측계획 제안

앞서 기술하였듯 기존 지하철 변위가 가장 크게 발생하는 구간(STA. 10 km790~840)에 대한 집중적인 계측관리가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 당초의 계측계획을 강화하여 균열측정계, 진동측정계(Seoul Metropolitan Infrastructure Headquarters, 2015)를 각 5개소로 추가설치하고 레일변위계(L = 50 m)와 전단면 내공변위계(1개소)를 신규 설치하여 터널 라이닝에 대한 변위발생 여부를 검측하고 상부 토피 제거로 인한 하중감소에 따른 레일변위 발생 여부를 주 1회 이상 검측할 것을 제안하였다(Fig. 10 참조).

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Fig. 10.

Tunnel measurement plan to ensure stability of existing operation lines (proposal)

7. 결 론

본 연구에서 기존 운행중인 지하철 직상부에 지하 굴착(가시설 및 말뚝기초 포함) 및 지상 건물 신축이 계획되어 공용중인 기존 지하철의 터널과 궤도의 안정성 확보를 위한 4단계 종합관리대책을 제안하였다.

[종합관리대책 1단계] 기존 지하철 근접도 평가

검토대상 구간에 대한 근접도 평가를 수행하였다. 기존 지하철과 직상부 구조물의 인접 현황, 말뚝기초와 지하철의 이격거리 등을 고려하여 검토하였다. 보정치를 적용한 근접도 검토결과 무조건 범위에 해당되어 기존 지하철에 미치는 영향은 미소할 것으로 판단되었다. 그러나 말뚝기초 영향을 고려한 『지하철 인접 굴착공사 관리예규(서울지하철)』에 따라 실시한 검토결과 A급 범위에 해당되어 주 1회 점검을 수행하도록 제안하였다.

[종합관리대책 2단계] 기존 지하철 안정성 검토

기존 지하철 터널 및 정거장 영향검토를 위해 지상구조물 및 지하철의 하중조건과 지상구조물 시공을 위한 굴착에 따른 지하수위 저하를 고려하여 침투-응력을 연계한 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석 검토 결과 지상구조물 시공에 따른 지하철 터널의 변위 및 응력은 모두 허용치 이내로 나타나 안정성 저하 영향은 적을 것으로 판단하였다. 또한 정거장 구조물의 발생 변위를 바탕으로 최대침하, 부등침하, 각변위, 수평변위 등의 구조물 손상도 평가결과 NEGL(무시) 등급으로 검토되어 지상구조물 시공에 따른 지하철 정거장에 대한 영향은 미소할 것으로 판단하였다.

[종합관리대책 3단계] 기존 지하철 궤도 안정성 검토

기존 지하철의 열차 운행 안전검증을 위한 궤도 안정성 검토를 실시하여 궤도의 고저틀림, 방향틀림, 수평틀림 및 궤간틀림에 대하여 모두 허용기준을 만족하여 궤도 안정성 확보에 문제가 없을 것으로 판단하였다.

[종합관리대책 4단계] 집중관리구간 선정 및 계측계획 수립

수치해석 결과를 바탕으로 지상구조물 시공으로 인해 기존 지하철에 집중적인 변위발생이 예상되는 약 50 m (STA. 10 km 790~840) 구간을 집중관리구간으로 선정하였다. 시공에 따른 변위발생을 시공단계별로 확인 및 조치할 수 있도록 추가적인 계측 계획을 수립하였으며 균열측정계 및 진동측정계을 추가 배치(4개소 → 5개소)하고 레일변위계 및 전단면 내공변위계를 신규 설치하여 기존 지하철의 안정성 상세 검측 및 추후 시공에 따른 기존 지하철의 변위 상태를 지속적으로 추적할 수 있도록 계획하였다.

References

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