[논문]쉴드 TBM 터널 공사시 지반환경 영향성 검토 : 몽촌토성 지하철 공사

이성민; 김성범

문제 정의

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 지하철 9호선 건설사업 중 일부 구간이 사적문화재인 몽촌토성을 지남에 따라 문화재 손상방지를 위해 지반환경 영향성 검토를 실시하였다.
이 공법은 점토, 모래, 자갈 등을 포함하는 연약지반에서 도시기반시설을 위한 지하공간의 확보를 위해 주로 적용하고 있다. 종례의 개착식 공법으로 시공 시 발생하는 각종 소음 및 진동 등의 건설공해와 교통장애 등의 문제점을 최소화하기 위해 개발되었다. 공사 중 지반 보강방안으로는 약액주입공법과 시멘트 계열의 그라우팅공법 등이 있으며, 토질 및 지하수위 등의 여러 가지 조건을 종합적으로 고려하여 선정하여야 한다.
지반환경 물리탐사는 몽촌토성 하부의 지층분포 상태 및 물리적 특성 등을 규명함으로써 지반 공학적 해석을 하기 위한 기초자료를 제공함과 함께 지반의 이상 징후를 파악하는데 그 목적이 있다. 또한 지반의 구성상태를 연속적 2차원 데이터로 파악함으로써 1차원 지층구조만 파악하는 기존의 보링 테스트 자료를 보완 할 수 있다.
지구물리탐사 기술 중 주요 탐사법의 하나인 탄성파 탐사는 토목, 건설, 자원개발 및 지구과학 등 넓은 범위에 걸쳐 실용적으로 중요한 역할을 담당하고 있다. 지하 물질에 대한 탄성파 속도 측정의 궁극적인 목적은 지하구조의 형태와 그 구성지역의 물성을 정확히 알아내는데 있다. 물성 중 밀도(ρ), 포아송비(υ), 강도(δ), 탄성계수(Ε) 등 여러 가지는 일반적으로 직접 실험을 통해 물성 값을 측정하지만, 이들 물성치가 직⋅간접적으로 탄성파 속도의 크기에 영향을 미치므로 탄성파 속도의 측정은 지하 물질의 물성을 추정하는데 중요한 정보가 된다.

제안 방법

공사 시 발생하는 굴착진동 하중 산정은 Fig. 7과 같이 TBM 장비의 최대에너지를 고려하여 하중을 산정하였으며 1초에 4회 타격조건으로 가정하여, 충격하중을 수치해석 모델에 적용하여 시간이력 해석을 수행하고 문화재 구간의 진동속도를 산정하였다.
또한 지반의 구성상태를 연속적 2차원 데이터로 파악함으로써 1차원 지층구조만 파악하는 기존의 보링 테스트 자료를 보완 할 수 있다. 물리탐사는 문화재 구간 내 쉴드 TBM 굴착 계획 라인을 따라 실시하였으며 문화재의 경우 비파괴조사를 원칙으로 하여야 하므로 GPR탐사, 굴절법 탄성파 탐사, 전기비저항탐사를 실시하였다.
발진부에서의 지반보강범위는 사질토의 자하수위가 낮은 경우 및 점성토에서는 가벽 철거시 막장지반의 자립이 확보되는 범위로 하는 것이 일반적이고, 지하수위가 높은 사질토에서는 쉴드 외주부를 통하여 유입하려는 지하수의 수압에 대하여 엔트런스 패킹만으로 저항하여 하므로 상당한 위험이 따르게 되기 때문에 지반을 보강한 구간 내에서 세그먼트의 뒷채움주입을 시행하여 엔트런스 패킹부를 보강할 수 있는 범위가 필요하다. 쉴드 TBM의 발진 및 도달갱구부의 일반적인 지반보강방법에는 약액주입공법과 고압분사주입공법 등이 있으며, 토질 및 지하수의 등의 여러 가지 조건과 안전성, 경제성, 공정 등을 종합적으로 검토하여 선정하여 한다. 또한 Fig.
공사 시작부터 설치한 지표침하계 및 지하수위계 등과 공사완료 후 설치한 변위계, 경사계 등의 계측장비의 모니터링 결과를 활용하여 유지관리 시 정확한 보수보강 계획을 수립하는 것이 중요한다. 안전점검 계획을 일상점검 주 1회, 정기점검 반기 1회, 정기점검 2년 1회, 정밀안전 진단 5년 1회 등으로 계획하여 예방 유지관리를 위한 안전점검을 강화하고 점검 및 계측 연계체계 구측을 통하여 체계적인 유지관리 시스템을 구축하도록 한다.
위의 탐사결과를 종합적으로 고려하여 Fig. 5와 같이 문화재 구간 내 지층 조건과 쉴드 TBM 굴착위치를 단순화 하였다. 이는 진동 과 지하수위 변화 영향을 예측하기 위한 해석 모델링 자료로 활용된다.
전기비저항 탐사는 측정방법 및 해석방법에 따라 약간의 차이가 있으며, 측정방법은 전극의 배열방법 및 조사현장의 조건에 따라 Pole-pole 배열, Pole-dipole 배열, Dipole-dipole 배열, Wenner 배열, Schlumberger 배열 등의 전극배열법을 사용하여 수평탐사 및 수직탐사를 수행한다. 최근에는 탐사장비의 발달로 인해 수평탐사와 수직탐사를 조합⋅병행하는 탐사기법이 개발되면서 2차원 전기비저항 탐사, 비저항 영상법 및 고밀도 전기탐사법이라고 불리며, 획득된 측정자료는 역산모델링을 실시하여 2차원 단면 영상을 구한다.
쉴드 TBM 공법 적용 시 발생하는 진동 영향을 범용유한요소 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 지반 모델은 앞서 수행한 지반 물리탐사를 통하여 파악된 지반 단면 여건 및 동적 물성치를 이용하여 Fig. 6과 같이 수치해석 모델인 지반을 모델링하였다.
1과 같이 지하철 9호선 건설사업 중 일부 구간이 사적문화재인 몽촌토성을 지남에 따라 문화재 손상방지를 위해 지반환경 영향성 검토를 실시하였다. 지반물리탐사를 통한 지반 특성을 파악하고 진동 및 지하수위에 따른 지반영향성을 분석하였다.
지하철 9호선 3단계 사업의 노선 일부가 사적문화재인 몽촌토성 주변 하부를 관통함에 따라 문화재 하부 지반 굴착 공법인 쉴드 TBM 공사로 인한 문화재 영향 및 공사완료 후 열차 운행에 따른 영향성 예측까지 공사에 따른 몽촌토성 영향성 분석을 실시하였다.

대상 데이터

국내에서도 시공사례가 많으나 아직까지 심각한 사고는 발생하지 않았으며 현재 시공되는 공법 중 문화재에 영향을 가장 줄일 수 있는 공법으로 판단된다. 영향성 평가를 위한 여러 가지 해석 및 실험에 앞서 지반환경 물리 탐사를 실시하였으며 그 결과는 쉴드 TBM 모형실험 등의 바탕 자료로 활용되었다. GPR탐사, 탄성파 탐사, 전기비저항 탐사 결과, 특이한 지장물이나 배면공동은 나타나지 않았으며 현 몽촌토성의 지층구조를 면밀히 파악할 수 있었고 비교적 견고히 축성된 것으로 판단되었다.

데이터처리

쉴드 TBM 공법 적용 시 발생하는 진동 영향을 범용유한요소 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 지반 모델은 앞서 수행한 지반 물리탐사를 통하여 파악된 지반 단면 여건 및 동적 물성치를 이용하여 Fig.

성능/효과

영향성 평가를 위한 여러 가지 해석 및 실험에 앞서 지반환경 물리 탐사를 실시하였으며 그 결과는 쉴드 TBM 모형실험 등의 바탕 자료로 활용되었다. GPR탐사, 탄성파 탐사, 전기비저항 탐사 결과, 특이한 지장물이나 배면공동은 나타나지 않았으며 현 몽촌토성의 지층구조를 면밀히 파악할 수 있었고 비교적 견고히 축성된 것으로 판단되었다. 또한 몽촌토성 하부 지층은 풍화암⋅연암⋅보통암⋅경암 순으로 나타나며, 터널이 지나가는 심도에서는 위치에 따라 연암⋅보통암⋅경암이 분포하는 것으로 조사되었다.
94m 인 점을 감안하면 본 사업의 시행으로 인한 수목의 생육에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다. 또한 공사완료 초기에는 지하수위가 다소 낮아질 것이나 6년 경과 시 수위가 원상태로 회복 될 것으로 예상되었고, 세그먼트도 수압에 대해 안정성을 확보하는 것으로 예측되었다. 향후 안전한 시공과 문화재 보호를 위해 공사 시작부터 설치한 지표침하계 및 지하수위계 등의 철저한 계측관리가 필요하며, 공사완료 후 설치한 변위계, 경사계 등 계측장비의 모니터링 결과를 활용하여 유지관리 시 정확한 보수보강 계획을 수립하는 것이 중요하다.
또한 몽촌토성 하부 지층은 풍화암⋅연암⋅보통암⋅경암 순으로 나타나며, 터널이 지나가는 심도에서는 위치에 따라 연암⋅보통암⋅경암이 분포하는 것으로 조사되었다.
12mm로서 허용치 25mm이내인 것으로 분석되었다. 또한 식생의 생육에 관한 영향분석 결과, 대부분 뿌리가 깊은 심근성 수목이며 본 사업으로 인한 지하수위 하강이 최대 0.94m 인 점을 감안하면 본 사업의 시행으로 인한 수목의 생육에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다. 또한 공사완료 초기에는 지하수위가 다소 낮아질 것이나 6년 경과 시 수위가 원상태로 회복 될 것으로 예상되었고, 세그먼트도 수압에 대해 안정성을 확보하는 것으로 예측되었다.
쉴드 TBM 모형실험을 통한 분석 결과 터널 굴착 시에 터널굴착 상단면에 굴착면과 근접할수록 터널의 변위가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 지반이 보강되었을 때에는 몽촌토성에 보강되지 않은 기존지반의 변위거동과 같은 양상이 나타나지만 변위 차이가 1/4로 축소된 것을 확인할 수 있었으며 전달되는 응력거동도 기존지반에 비해서 영향이 미미한 것을 확인할 수 있었다. 당 공사의 지반 보강은 쉴드 장비의 초기 굴진부와 도달부에 대해서 고압 및 저압 지반보강 공법을 병행하여 적용하였으며, 굴착중에는 지반침하를 최소화하기 위하여 굴착과 동시에 가소성 주입재(시멘트계)를 동시주입방식으로 Backfill 그라우팅을 계획하여 대상문화재 지반에 발생하는 변위와 응력을 최소화 하도록 하며, 이렇게 면밀한 공사관리가 병행될 경우 대상 문화재에 발생하는 변위와 응력은 매우 적어서 안전에 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다.
명확한 예측을 위해 몽촌토성 공사 구간 내 지하수위 변동을 Fig. 13과 같이 시뮬레이션 한 결과 지하수위 강하량은 0.08~0.40m 수준으로 나타났다. 지하수위 강하량을 이용하여 지하수위 변동에 따른 지반침하량을 Fig.
쉴드 TBM 모형실험을 통한 분석 결과 터널 굴착 시에 터널굴착 상단면에 굴착면과 근접할수록 터널의 변위가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 지반이 보강되었을 때에는 몽촌토성에 보강되지 않은 기존지반의 변위거동과 같은 양상이 나타나지만 변위 차이가 1/4로 축소된 것을 확인할 수 있었으며 전달되는 응력거동도 기존지반에 비해서 영향이 미미한 것을 확인할 수 있었다.
당 공사의 지반 보강은 쉴드 장비의 초기 굴진부와 도달부에 대해서 고압 및 저압 지반보강 공법을 병행하여 적용하였으며, 굴착중에는 지반침하를 최소화하기 위하여 굴착과 동시에 가소성 주입재(시멘트계)를 동시주입방식으로 Backfill 그라우팅을 계획하여 대상문화재 지반에 발생하는 변위와 응력을 최소화 하도록 하며, 이렇게 면밀한 공사관리가 병행될 경우 대상 문화재에 발생하는 변위와 응력은 매우 적어서 안전에 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다. 지하수위 변동을 시뮬레이션을 통해 예측하였으며 그 결과 문화재(몽촌토성) 통과구간의 지하수위는 풍화암 부근에 위치하고 있으며 예상되는 침하량은 0.12mm로서 허용치 25mm이내인 것으로 분석되었다. 또한 식생의 생육에 관한 영향분석 결과, 대부분 뿌리가 깊은 심근성 수목이며 본 사업으로 인한 지하수위 하강이 최대 0.
최대허용 지반 침하량과 관련하여 토성에 적용되는 기준은 없지만 구조물의 최대허용 침하량의 최소 수치가 석조 및 조적의 25mm로써 이와 비교하면 매우 적은 변화량임을 알 수 있다.

후속연구

지반환경 물리탐사는 몽촌토성 하부의 지층분포 상태 및 물리적 특성 등을 규명함으로써 지반 공학적 해석을 하기 위한 기초자료를 제공함과 함께 지반의 이상 징후를 파악하는데 그 목적이 있다. 또한 지반의 구성상태를 연속적 2차원 데이터로 파악함으로써 1차원 지층구조만 파악하는 기존의 보링 테스트 자료를 보완 할 수 있다. 물리탐사는 문화재 구간 내 쉴드 TBM 굴착 계획 라인을 따라 실시하였으며 문화재의 경우 비파괴조사를 원칙으로 하여야 하므로 GPR탐사, 굴절법 탄성파 탐사, 전기비저항탐사를 실시하였다.
문화재 보존을 위하여 지하철 시설물의 체계적인 관리계획을 통하여 정기적으로 시설물의 안전점검 및 정밀안전진단을 실시하여 문제점 발생시 유지보수 및 시설물 보강이 이루어져야 할 것이다.
또한 공사완료 초기에는 지하수위가 다소 낮아질 것이나 6년 경과 시 수위가 원상태로 회복 될 것으로 예상되었고, 세그먼트도 수압에 대해 안정성을 확보하는 것으로 예측되었다. 향후 안전한 시공과 문화재 보호를 위해 공사 시작부터 설치한 지표침하계 및 지하수위계 등의 철저한 계측관리가 필요하며, 공사완료 후 설치한 변위계, 경사계 등 계측장비의 모니터링 결과를 활용하여 유지관리 시 정확한 보수보강 계획을 수립하는 것이 중요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TBM 공법의 주 활용도는?	쉴드 TBM 공법은 TBM(Tunnel Boring Machine)전방의 커터 헤드를 회전시키면서 지반을 굴착함과 동시에 강제 원통형의 쉴드(Shield)를 수직 작업구 내로 투입하고, 막장면은 각종 보조공법으로 붕괴를 방지하면서 쉴드기 후방에 세그먼트를 설치하는 것을 반복해가면서 터널을 굴착하는 공법이다. 이 공법은 점토, 모래, 자갈 등을 포함하는 연약지반에서 도시기반시설을 위한 지하공간의 확보를 위해 주로 적용하고 있다. 종례의 개착식 공법으로 시공 시 발생하는 각종 소음 및 진동 등의 건설공해와 교통장애 등의 문제점을 최소화하기 위해 개발되었다.
	쉴드 TBM 공법은 어떻게 수행되는 공법인가?	쉴드 TBM 공법은 TBM(Tunnel Boring Machine)전방의 커터 헤드를 회전시키면서 지반을 굴착함과 동시에 강제 원통형의 쉴드(Shield)를 수직 작업구 내로 투입하고, 막장면은 각종 보조공법으로 붕괴를 방지하면서 쉴드기 후방에 세그먼트를 설치하는 것을 반복해가면서 터널을 굴착하는 공법이다. 이 공법은 점토, 모래, 자갈 등을 포함하는 연약지반에서 도시기반시설을 위한 지하공간의 확보를 위해 주로 적용하고 있다.
	지반환경 물리탐사의 목적은?	지반환경 물리탐사는 몽촌토성 하부의 지층분포 상태 및 물리적 특성 등을 규명함으로써 지반 공학적 해석을 하기 위한 기초자료를 제공함과 함께 지반의 이상 징후를 파악하는데 그 목적이 있다. 또한 지반의 구성상태를 연속적 2차원 데이터로 파악함으로써 1차원 지층구조만 파악하는 기존의 보링 테스트 자료를 보완 할 수 있다.

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