터널 및 지중매설물 시공에 따른 지반함몰 발생 원인 및 대책에 대한 지반공학적 조사 연구 Geotechnical investigation on causes and mitigation of ground subsidence during underground structure construction원문보기
최근 국내 빈번하게 발생되고 있는 지반함몰 현상의 원인, 현황, 대책에 대하여 지반공학적인 접근 방법으로 조사하였다. 국내 발생된 지반함몰은 대부분 터널 굴착 공사와 지중매설관의 손상에 의한 것으로 나타났다. 용산역과 석촌 지하차도 지반함몰 사례와 같이, 굴착 공사 중 지반함몰은 지하수와 토사의 과다 유출이 주된 원인으로 나타났다. 특히, 충적층과 같은 연약지반에서의 기계식 굴착 시, TBM 굴착이 멈춘 지점에서 지반함몰 위험이 큰 것으로 나타났다. 서울시에서 발생된 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰 사고를 종합하였을 때, 시공 시의 부주의, 노후화, 연약지반에서의 관의 부등침하 등이 지반함몰의 원인으로 나타났다. 터널 굴착 공사에 의한 지반함몰은 공사 시 발생되는 지하수, 토사의 이동에 대한 모니터링을 통해 대비할 수 있다. 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰은 지중매설관의 생애주기 분석 및 유지관리 혹은 관 상부의 토압 분산 및 토압 지지력 증대를 통하여 대비할 수 있을 것으로 판단된다.
최근 국내 빈번하게 발생되고 있는 지반함몰 현상의 원인, 현황, 대책에 대하여 지반공학적인 접근 방법으로 조사하였다. 국내 발생된 지반함몰은 대부분 터널 굴착 공사와 지중매설관의 손상에 의한 것으로 나타났다. 용산역과 석촌 지하차도 지반함몰 사례와 같이, 굴착 공사 중 지반함몰은 지하수와 토사의 과다 유출이 주된 원인으로 나타났다. 특히, 충적층과 같은 연약지반에서의 기계식 굴착 시, TBM 굴착이 멈춘 지점에서 지반함몰 위험이 큰 것으로 나타났다. 서울시에서 발생된 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰 사고를 종합하였을 때, 시공 시의 부주의, 노후화, 연약지반에서의 관의 부등침하 등이 지반함몰의 원인으로 나타났다. 터널 굴착 공사에 의한 지반함몰은 공사 시 발생되는 지하수, 토사의 이동에 대한 모니터링을 통해 대비할 수 있다. 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰은 지중매설관의 생애주기 분석 및 유지관리 혹은 관 상부의 토압 분산 및 토압 지지력 증대를 통하여 대비할 수 있을 것으로 판단된다.
This study investigated the occurrences, causes, and mitigation of the recent ground subsidence and underground cavity generation events in Korea. Two main causes of ground subsidence are (1) the soil erosion by seepage during tunneling and earth excavation and (2) the damage of underground pipes. T...
This study investigated the occurrences, causes, and mitigation of the recent ground subsidence and underground cavity generation events in Korea. Two main causes of ground subsidence are (1) the soil erosion by seepage during tunneling and earth excavation and (2) the damage of underground pipes. The main cause of the soil erosion during tunneling was the uncontrolled groundwater flow. Especially, when excavating soft grounds using a tunnel boring machine (TBM), the ground near TBM operation halt points were found to be the most vulnerable to failure. The damage of underground pipes was mainly caused by poor construction, material deterioration, and differential settlement in soft soils. The ground subsidence during tunneling and earth excavation can be managed by monitoring the outflow of groundwater and eroded soils in construction sites. It is expected that the ground subsidence by the underground pipe damage can be managed or mitigated by life cycle analysis and maintenance of the buried pipes, and by controlling the earth pressure distribution or increasing the bearing capacity at the upper ground of the buried pipes.
This study investigated the occurrences, causes, and mitigation of the recent ground subsidence and underground cavity generation events in Korea. Two main causes of ground subsidence are (1) the soil erosion by seepage during tunneling and earth excavation and (2) the damage of underground pipes. The main cause of the soil erosion during tunneling was the uncontrolled groundwater flow. Especially, when excavating soft grounds using a tunnel boring machine (TBM), the ground near TBM operation halt points were found to be the most vulnerable to failure. The damage of underground pipes was mainly caused by poor construction, material deterioration, and differential settlement in soft soils. The ground subsidence during tunneling and earth excavation can be managed by monitoring the outflow of groundwater and eroded soils in construction sites. It is expected that the ground subsidence by the underground pipe damage can be managed or mitigated by life cycle analysis and maintenance of the buried pipes, and by controlling the earth pressure distribution or increasing the bearing capacity at the upper ground of the buried pipes.
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문제 정의
본 연구에서는 우리나라 도심지 지반함몰의 사례들 중 터널 굴착 및 지하시설물 시공 관련 지반함몰 사례와 지중매설관 관련 지반함몰 사례를 지반공학적인 관점으로 조명하고자 한다. 먼저, 터널 굴착 및 지하시 설물 시공 시 지하수 흐름 변화에 대해서는 대표적인 사례로, 최근 가장 이슈가 되었던 용산역 지반함몰과 석촌 지하차도 지반함몰의 발생원인을 분석하였다.
본 연구에서는 최근 도심지에서 빈번하게 발생하는 지반함몰 현상의 원인, 현황, 예방에 대해 지반공학적인 관점으로 조명하였다. 국내 발생된 지반함몰은 대부분 굴착 공사와 지중매설관의 손상에 의한 것으로 나타났다.
본 장에서는 관 하부의 기초와 관 주변을 둘러싸고 있는 뒷채움재와 관 상부에 위치한 흙을 교체함으로써 관에 가해지는 토압 뿐만 아니라, 연약지반에서 발생되는 관거의 손상을 감소시킬 수 있는 공법에 대해 알아보았다.
제안 방법
마지막으로 굴착이 지하수와 지하수위에 미치는 영향과 수치모델링을 통하여 지하수 유출량을 평가할 수 있는 방법을 알아보았다. 다음으로, 지중매설관의 관종에 따른 특성을 조사하였고, 관이 손상되는 매커니즘을 알아보았다. 또한, 경화, 압축성, 경량화를 통한 관 주변의 토압 감소, 관 주변에서의 지지력 증대, 부식 방지를 이용한 관의 노후화 및 손상을 막을 수 있는 방법들을 알아보았다.
다음으로, 지중매설관의 관종에 따른 특성을 조사하였고, 관이 손상되는 매커니즘을 알아보았다. 또한, 경화, 압축성, 경량화를 통한 관 주변의 토압 감소, 관 주변에서의 지지력 증대, 부식 방지를 이용한 관의 노후화 및 손상을 막을 수 있는 방법들을 알아보았다.
먼저, 터널 굴착 및 지하시 설물 시공 시 지하수 흐름 변화에 대해서는 대표적인 사례로, 최근 가장 이슈가 되었던 용산역 지반함몰과 석촌 지하차도 지반함몰의 발생원인을 분석하였다. 또한, 터널 굴착 시 유출지하수 발생량을 알아보았고, 터널 지하수 관리 현황 및 관련 법규를 알아보았다. 마지막으로 굴착이 지하수와 지하수위에 미치는 영향과 수치모델링을 통하여 지하수 유출량을 평가할 수 있는 방법을 알아보았다.
또한, 터널 굴착 시 유출지하수 발생량을 알아보았고, 터널 지하수 관리 현황 및 관련 법규를 알아보았다. 마지막으로 굴착이 지하수와 지하수위에 미치는 영향과 수치모델링을 통하여 지하수 유출량을 평가할 수 있는 방법을 알아보았다. 다음으로, 지중매설관의 관종에 따른 특성을 조사하였고, 관이 손상되는 매커니즘을 알아보았다.
본 연구에서는 우리나라 도심지 지반함몰의 사례들 중 터널 굴착 및 지하시설물 시공 관련 지반함몰 사례와 지중매설관 관련 지반함몰 사례를 지반공학적인 관점으로 조명하고자 한다. 먼저, 터널 굴착 및 지하시 설물 시공 시 지하수 흐름 변화에 대해서는 대표적인 사례로, 최근 가장 이슈가 되었던 용산역 지반함몰과 석촌 지하차도 지반함몰의 발생원인을 분석하였다. 또한, 터널 굴착 시 유출지하수 발생량을 알아보았고, 터널 지하수 관리 현황 및 관련 법규를 알아보았다.
대상 데이터
2014년 8월 4일, 석촌호수 인근 지하철 9호선 실드 TBM 터널공사 주변에 7개의 지반함몰이 발견되었다. 이 때, 터널 상부에는 모래, 자갈 그리고 풍화암의 충적층이 존재하는 것을 확인되었다.
2015년 2월 20일, 용산역 앞 공사현장 옆에서 약 3 m 깊이의 지반함몰이 발생했다(Fig. 1). 현장 지반은 두터운 점토층과 얇은 모래 자갈층으로 이루어져 있었으며, 용산역 앞 공사현장에서는 CIP(Cast-in-Place) 흙막이 공법과 SGR(Space Grouting Rocket) 차수 공법이 이용되었다.
이론/모형
CIP공법은 보링기로 지반을 굴착하여 천공한 뒤, 그 안에 철근 망이나 조골재로 채우고 몰탈을 주입하는 공법이다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2013). CIP공법은 차수성이 뛰어나지 않기 때문에 지하수위가 높은 곳의 경우 차수 공법과 함께 쓰이게 되는데, 본 공사의 경우 SGR 차수 공법을 이용하였다. 지하굴착공사 중 불완전한 차수벽 설치로 인해 지하수와 모래의 유출이 발생하였고, 이로 인하여 상부 점토층 함몰이 발생된 것으로 보고되었다(Jang, 2015).
1). 현장 지반은 두터운 점토층과 얇은 모래 자갈층으로 이루어져 있었으며, 용산역 앞 공사현장에서는 CIP(Cast-in-Place) 흙막이 공법과 SGR(Space Grouting Rocket) 차수 공법이 이용되었다. CIP공법은 보링기로 지반을 굴착하여 천공한 뒤, 그 안에 철근 망이나 조골재로 채우고 몰탈을 주입하는 공법이다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2013).
성능/효과
둘째로, 지중매설관의 손상으로 인한 지반함몰 메커니즘을 살펴보면, 관거의 손상은 물의 흐름을 유발시켜 토립자 유실을 발생하고, 이로 인해 관거 상하부 지반의 지지력을 감소시겨, 결국 지반함몰을 발생시키는 것으로 나타났다. 지중매설관 중 상하수도관은 약 50년의 수명을 목표로 설계된다.
3), 시행되지 않은 구간에서는 지반함몰이 발견되지 않았다. 또한, 지중 공동 내부 콘크리트 블록 주변으로 15 cm 정도의 채움재 층이 형성되어 있어야 하지만, 채움재가 지중 공동까지 과다하게 분출된 것으로 나타났다. 지중 공동 내의 벽체와 지하차도 바닥 콘크리트가 최근에 무너졌다는 것이 발견되었고, 지중 공동 내에서 방수포가 발견됨에 따라 지하차도 공사 이후에 생긴 지중 공동이라는 것이 증명되었다.
이 중, 도심지에서 발생되는 지반함몰의 대부분은 지하수 이용량 증가에 따른 지하수위 저하와 노후, 불량 하수관으로의 지하수 유출에 의한 것으로 나타났다. 지하수 개발 및 이용시설은 1994년부터 2010년 까지 연평균 5.
또한, 지하차도로 인하여 지상에서의 수직 지반보강이 곤란하여 수평으로 지반보강을 했지만 충분하지 못했던 것으로 나타났다 (Seoul Seokchon-dong Cavity Cause Investigation Committee, 2014). 이와 같이, 충적층과 같은 연약한 지반에서의 굴착이 이루어질 때, 실제 굴진량과 발생되는 토사의 양을 비교하는 것이 중요한 것으로 밝혀졌으며, 두 수치의 차이가 많이 날 경우, 적절한 지반보강과 함께 굴착을 수행해야 한다는 것을 알 수 있다.
첫 번째로, 지중매설관은 오랜 시간이 지나면서 수직 토압에 의해 관의 상부와 측면부가 하중의 영향을 많이 받아, 상부는 아래로 측면부는 바깥으로 변위가 발생되어 손상이 일어날 가능성이 크다. 하중 재하 지점 ± 45° 위치에서 축력이 가장 크고 관거가 취약하다(Choi et al.
첫째로, 굴착 시 지반함몰 사례를 살펴보면, 개착식 굴착 시공시, 불완전한 차수벽으로 인한 지하수와 모래의 과다 유출에 의한 메커니즘과, 비개착 굴착 시공시, 충적층과 같은 연약지반에서의 뒷채움재 불완전 주입으로 인한 과다 굴착 토사량 발생과 같은 메커니즘에 의해 지반함몰이 일어나는 것으로 확인되었다. 특히, 실드TBM공사시, TBM굴진을 멈춘 지역에서 대규모 지반함몰이 발생한 점은 시사하는 바가 많다.
후속연구
특히, 실드TBM공사시, TBM굴진을 멈춘 지역에서 대규모 지반함몰이 발생한 점은 시사하는 바가 많다. 따라서, 대규모 굴착 시의 지하수의 유동 및 유출량과 함께, 토립자 유실을 모니터링하고 지반함몰 발생을 예측하여 대처하는 방안이 필요할 것으로 보인다. 이를 위해서는, 토사의 침식, 토립자 유실 그리고 토사의 이동에 대한 근본적인 이해를 필요로 할 것이다.
따라서, 대규모 굴착 시의 지하수의 유동 및 유출량과 함께, 토립자 유실을 모니터링하고 지반함몰 발생을 예측하여 대처하는 방안이 필요할 것으로 보인다. 이를 위해서는, 토사의 침식, 토립자 유실 그리고 토사의 이동에 대한 근본적인 이해를 필요로 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 발생된 지반함몰의 원인은 무엇인가?
최근 국내 빈번하게 발생되고 있는 지반함몰 현상의 원인, 현황, 대책에 대하여 지반공학적인 접근 방법으로 조사하였다. 국내 발생된 지반함몰은 대부분 터널 굴착 공사와 지중매설관의 손상에 의한 것으로 나타났다. 용산역과 석촌 지하차도 지반함몰 사례와 같이, 굴착 공사 중 지반함몰은 지하수와 토사의 과다 유출이 주된 원인으로 나타났다.
서울시에서 발생된 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰 현상의 원인은 무엇인가?
특히, 충적층과 같은 연약지반에서의 기계식 굴착 시, TBM 굴착이 멈춘 지점에서 지반함몰 위험이 큰 것으로 나타났다. 서울시에서 발생된 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰 사고를 종합하였을 때, 시공 시의 부주의, 노후화, 연약지반에서의 관의 부등침하 등이 지반함몰의 원인으로 나타났다. 터널 굴착 공사에 의한 지반함몰은 공사 시 발생되는 지하수, 토사의 이동에 대한 모니터링을 통해 대비할 수 있다.
충적층과 같은 연약지반에서의 기계식 굴착 시 어느 부분에서 지반함몰 위험이 큰 가?
용산역과 석촌 지하차도 지반함몰 사례와 같이, 굴착 공사 중 지반함몰은 지하수와 토사의 과다 유출이 주된 원인으로 나타났다. 특히, 충적층과 같은 연약지반에서의 기계식 굴착 시, TBM 굴착이 멈춘 지점에서 지반함몰 위험이 큰 것으로 나타났다. 서울시에서 발생된 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰 사고를 종합하였을 때, 시공 시의 부주의, 노후화, 연약지반에서의 관의 부등침하 등이 지반함몰의 원인으로 나타났다.
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