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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 지반 굴착공사 시 굴착 면 하부에 지중구조물이 위치하고 있는 경우 지하수위 변화가 지하구조물의 안정성에 미치는 영향을 검토하였다.
- 버스환승센터 시공 후에는 되메움 및 지하수위 회복으로 지하철구조물은 다시 원상태(버스환승센터 시공 전)와 유사하게 회복된다. 버스환승센터 시공에 따른 하중 및 지하수위 변화에 따른 지반 거동 특성은 Table 4와 같으며, 본 연구에서는 지하수위 저하로 발생되는 지반의 유효응력 변화가 지하철구조물에 미치는 영향을 연구하였다.
- 본 연구에서는 지하수위 저하에 따른 지중구조물(지하철 구조물)의 안정성에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하였다. 이를 위해 시공 전 지하수위 계측 및 배수공법 적용 현황에 따른 관리지하수위 적용으로 지하수위 변화를 분석하였으며, 지하수위 저하 조건에 따른 연계해석 및 구조검토를 통하여 현재 운행 중인 지하철구조물의 안정성을 검토하였다.
제안 방법
- 차수벽 내･외부의 지하수위 변화에 의한 침하량 차이에 따라 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 3차원 구조검토를 수행하였으며, 구조검토 결과를 통하여 종방향 부재력 및 선로 궤도틀림을 검토하였다. 2차원 구조검토와 동일하게 구간별 부등침하 변위벡터를 침하하중으로 적용하여 안정성 검토를 수행하였다.
- (3) 배수공법 적용에 따른 지하수위 저하가 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 연계해석을 수행하여 전체침하 및 부등침하에 대한 안정성 검토를 수행한 결과 모두 허용치 이내로 발생하였다. 또한 발생된 침하를 변위 벡터하중으로 지하철구조물에 적용하여 2차원 구조계산을 통한 안정성을 평가하였다.
- 버스환승센터 조성구간의 하부 지하철구조물은 지하수위 저하에 의한 전체침하량 및 부등침하가 허용치 이내로 발생하여 구조물 손상 정도는 미소한 것으로 나타났으나, 운영중인 지하철구조물의 중요도를 고려하여 발생된 침하량에 대하여 2차원 구조검토를 수행하여 구조물 안정성을 평가하였다. 또한 버스환승센터 조성구간은 지하수위 저하에 의한 인접구조물의 피해를 최소화하기 위하여 차수벽을 적용하였으며, 하부 지하철구조물은 지하수위 저하에 의한 차수벽 내･외부의 침하량 차이로 인한 영향이 클 것으로 판단되어 곙계부에 대한 3차원 상세 구조검토를 수행하여 안정성을 평가하였다. 버스환승센터 구간의 지하철구조물의 단면 현황 및 3차원 구조검토 구간은 Fig.
- 버스환승센터 시공 중 지하수위 저하에 따른 침하량 발생으로 지하철구조물의 안정성을 평가하기 위하여 부등침하가 가장 큰 조건의 변위를 벡터하중으로 구조물에 적용하여 구조검토를 수행하였다. 연계해석으로 산정된 침하량을 고려하여 2차원 구조검토를 수행한 결과 발생된 부재력이 시공 전(설계) 부재력보다 적게 나타남에 따라 지하수위 저하에 의한 지반거동으로 부터 지하철구조물의 안정성은 확보되는 것으로 나타났다.
- 버스환승센터 조성구간은 터파기 굴착 시 지하수위 저하로 인한 주변지반의 침하를 방지하기 위하여 차수벽을 계획하였으며, 지하철구조물 상부 터파기 공사로 부력이 발생하여 구조물 손상 및 피해에 대한 대책으로 지하수위가 관리될 수 있도록 S.W.P 공법(Super Well Point)을 계획하였다. Fig.
- 버스환승센터 조성구간의 하부 지하철구조물은 지하수위 저하에 의한 전체침하량 및 부등침하가 허용치 이내로 발생하여 구조물 손상 정도는 미소한 것으로 나타났으나, 운영중인 지하철구조물의 중요도를 고려하여 발생된 침하량에 대하여 2차원 구조검토를 수행하여 구조물 안정성을 평가하였다. 또한 버스환승센터 조성구간은 지하수위 저하에 의한 인접구조물의 피해를 최소화하기 위하여 차수벽을 적용하였으며, 하부 지하철구조물은 지하수위 저하에 의한 차수벽 내･외부의 침하량 차이로 인한 영향이 클 것으로 판단되어 곙계부에 대한 3차원 상세 구조검토를 수행하여 안정성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 연계해석을 통해 산정된 변위를 반영하고 지하철구조물을 2차원 및 3차원으로 모델링하여 구조물의 변위 및 응력을 검토하였으며, 버스환승센터 시공 전 대비 시공 중(지하수위 저하)의 지하철구조물에 대한 침하 및 구조적 안정성을 평가하였다.
- 운영 중인 지하철구조물은 차량 주행에 대한 안정성이 중요하므로 3차원 구조계산 결과를 바탕으로 궤도틀림 검토를 수행하였다. 선로의 궤도틀림은 양쪽 방향 모두 허용기준(궤간틀림 : 3.
- 본 연구에서는 지하수위 저하에 따른 지중구조물(지하철 구조물)의 안정성에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하였다. 이를 위해 시공 전 지하수위 계측 및 배수공법 적용 현황에 따른 관리지하수위 적용으로 지하수위 변화를 분석하였으며, 지하수위 저하 조건에 따른 연계해석 및 구조검토를 통하여 현재 운행 중인 지하철구조물의 안정성을 검토하였다.
- 차수벽 내･외부의 지하수위 변화에 의한 침하량 차이에 따라 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 3차원 구조검토를 수행하였으며, 구조검토 결과를 통하여 종방향 부재력 및 선로 궤도틀림을 검토하였다. 2차원 구조검토와 동일하게 구간별 부등침하 변위벡터를 침하하중으로 적용하여 안정성 검토를 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구 대상구간은 교통영향 개선대책을 목적으로 설계가 진행된 도심지 지하 버스환승센터 구간으로서 하부에 기존 지하철구조물이 위치하며, 버스환승센터 시공에 의한 지하수위 변화가 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하였다.
- 본 연구 수행을 위한 검토구간은 교통영향 개선대책으로 계획된 버스환승센터 조성 구간으로 평면 및 종단현황은 FIg. 6과 같으며, 버스환승센터 조성계획 구간 하부로 지하철구조물이 인접하여 운행하고 있다(롯데물산, 2014).
이론/모형
- 또한 버스환승센터 조성구간은 지하수위 저하에 의한 인접구조물의 피해를 최소화하기 위하여 차수벽을 적용하였으며, 하부 지하철구조물은 지하수위 저하에 의한 차수벽 내･외부의 침하량 차이로 인한 영향이 클 것으로 판단되어 곙계부에 대한 3차원 상세 구조검토를 수행하여 안정성을 평가하였다. 버스환승센터 구간의 지하철구조물의 단면 현황 및 3차원 구조검토 구간은 Fig. 18과 같으며, 안정성 평가를 위한 구조검토는 콘크리트구조기준(2012)을 참고하여 검토를 수행하였다.
- 본 연구에서 응력-침투 연계해석(Coupled analysis)을 수행하기 위해 사용된 유한요소해석 프로그램은 MIDAS사의 GTS NX이며, 침투해석에서 구한 간극수압(Pore Water Pressure)을 이용하여 침투력의 효과를 응력해석에 적용하는 흐름으로 연계해석을 수행할 수 있다. 침투해석은 정상류 해석(Steady state analysis)과 비정상류 해석(Transient analysis)으로 나누어 해석할 수 있다.
성능/효과
- (1) 지하수위 변화에 따른 지반침하는 초기 유효응력 대비 지하수위 저하 시 유효응력이 더 증가하여 지반침하를 초래하게 되며, 지중구조물은 지하수위 변화에 따른 유효응력의 영향을 가장 크게 받을 것으로 판단된다.
- (2) 교통영향 개선대책으로 계획된 버스환승센터 조성구간은 터파기 굴착 시 지하수위 저하로 인한 주변지반의 침하를 방지하기 위하여 차수벽이 계획되어 있으며, 지하철구조물 상부 터파기 공사로 부력이 발생하여 구조물 손상 및 피해에 대한 대책으로 지하수위를 저하시키기 위한 S.W.P 공법이 계획되었다.
- (3) 배수공법 적용에 따른 지하수위 저하가 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 연계해석을 수행하여 전체침하 및 부등침하에 대한 안정성 검토를 수행한 결과 모두 허용치 이내로 발생하였다. 또한 발생된 침하를 변위 벡터하중으로 지하철구조물에 적용하여 2차원 구조계산을 통한 안정성을 평가하였다.
- (4) 버스환승텐터 조성구간의 차수벽 내･외부는 지하수위 변화에 의한 침하량 차이가 나타나므로 지하철구조물에 미치는 영향을 검토하기 위한 3차원 구조검토를 수행하였으며, 구조검토 결과 부재력 및 발생 변위에 대한 궤도틀림 등 지하철구조물의 안정성은 확보되는 것으로 나타났다.
- 3차원 구조검토 결과 초기 지하수위 조건 대비 지하수위 저하 조건에서 부재의 모멘트는 감소하고 전단력은 증가하는 것으로 나타났으나 설계강도를 만족하여 지하철구조물의 안정성은 확보되는 것으로 나타났다.
- 또한 구조기준에 의한 지하철구조물 3차원 구조검토 결과에서 발생한 전체침하는 3.897mm, 부등침하는 0.447mm로 각각의 허용기준(전체침하 25mm, 부등침하 33.84mm(S=11.280m))을 만족하는 것으로 검토되었다. Fig.
- 58m로 설정하여 기준을 만족하지 못하는 경우에는 추가 설치 등을 통하여 지하수위를 관리하는 것으로 계획되었다. 버스환승센터 시공 전 주변지반의 평균 지하수위와 시공 중 관리지하수위 조건은 Fig.11과 같으며, S.W.P 공법 적용으로 버스환승센터 구간의 지하수위는 약 -4.76m 가량 저하되는 것으로 분석되었다.
- 버스환승센터 시공 중 지하철구조물(중앙부 위치) 안정성 검토 결과 구조물의 전체침하는 3.170mm, 부등침하 0.189mm로 각각의 허용기준(전체침하 25mm, 부등침하 33.24mm(S=11.080m))을 만족하는 것으로 검토되었다.
- 버스환승센터 시공 중 지하철구조물(편측 위치) 안정성 검토 결과 구조물의 전체침하는 1.445mm, 부등침하 0.202mm로 각각의 허용기준(전체침하 25mm, 부등침하 33.24mm(S=11.080m))을 만족하는 것으로 검토되었다.
- 버스환승센터 조성구간의 설계 시 수행한 지반조사를 통해 파악된 지층은 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 및 연암 순으로 분포하고 있는 것으로 조사되었으며, 버스환승센터 조성구간 하부를 통과하는 기존 지하철구조물의 기초지반은 대부분 풍화암 및 연암으로 구성되어 있는 것으로 파악되었다.
- 시추조사 시 파악된 버스환승센터 조성구간의 지하수위는 G.L-5.5m～G.L-8.5m 정도의 분포를 나타내었으며, 평균 지하수위는 약 G.L-8.0m에 위치하는 것으로 파악되었다.
- 버스환승센터 시공 중 지하수위 저하에 따른 침하량 발생으로 지하철구조물의 안정성을 평가하기 위하여 부등침하가 가장 큰 조건의 변위를 벡터하중으로 구조물에 적용하여 구조검토를 수행하였다. 연계해석으로 산정된 침하량을 고려하여 2차원 구조검토를 수행한 결과 발생된 부재력이 시공 전(설계) 부재력보다 적게 나타남에 따라 지하수위 저하에 의한 지반거동으로 부터 지하철구조물의 안정성은 확보되는 것으로 나타났다.
- 지하철구조물에 작용하는 부재력을 기준으로 시공 중(S.W.P 공법 적용) 지하수위 저하에 따른 부재력을 검토하고 시공 전 대비 부재력이 감소하거나 설계강도를 만족하는 경우 안정한 것으로 평가하였다.
- 지하철구조물이 배수공법 편측에 위치하여 중앙부에 위치했을 때보다 구조물 부등침하가 상대적으로 크게 발생한 것으로 나타났다
후속연구
- (5) 최근 도심지에서 지하수위 변화에 따른 지반거동 문제에 대한 관심이 증가되고 있으므로, 본 연구와 같이 지하수위 변화에 따른 지반거동 및 인접구조물에 미치는 영향을 시공 전에 예측하여 안전하고 합리적인 공사관리가 이루어질 수 있을 것이라 판단된다.
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