최근 지하공간을 활용한 도시의 기반시설 확충으로 인하여 시설물 상호 간의 근접시공이 많이 이루어지고 있으며, 근접시공으로 인한 시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 근접시공으로 인한 정거장구조물의 거동특성을 파악하기 위해 김포도시철도 터널이 계획된 노선 상부의 지하철 5호선 김포공항역 정거장구조물을 대상으로 연구를 수행하였다. 정거장구조물의 안전영역 평가 및 굴착방법에 대한 개략적인 검토와 수치해석을 통한 상세검토를 수행하였으며, 손상도 평가, 궤도틀림 및 구조검토 결과 근접시공에 따른 정거장구조물의 안정성은 확보되는 것으로 평가되었다. 본 연구는 근접시공시 인접구조물에 미치는 영향을 사전에 검토하는 경우 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
최근 지하공간을 활용한 도시의 기반시설 확충으로 인하여 시설물 상호 간의 근접시공이 많이 이루어지고 있으며, 근접시공으로 인한 시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 근접시공으로 인한 정거장구조물의 거동특성을 파악하기 위해 김포도시철도 터널이 계획된 노선 상부의 지하철 5호선 김포공항역 정거장구조물을 대상으로 연구를 수행하였다. 정거장구조물의 안전영역 평가 및 굴착방법에 대한 개략적인 검토와 수치해석을 통한 상세검토를 수행하였으며, 손상도 평가, 궤도틀림 및 구조검토 결과 근접시공에 따른 정거장구조물의 안정성은 확보되는 것으로 평가되었다. 본 연구는 근접시공시 인접구조물에 미치는 영향을 사전에 검토하는 경우 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, it has been made many adjacent construction of inter-facility by the expansion of urban infrastructure facilities using the underground space. The complaints relating to the stability of the facility by adjacent construction is common. In this study, it was conducted for the subway line 5 ...
Recently, it has been made many adjacent construction of inter-facility by the expansion of urban infrastructure facilities using the underground space. The complaints relating to the stability of the facility by adjacent construction is common. In this study, it was conducted for the subway line 5 Gimpo airport station structure in the upper Gimpo urban railway to determine the behavior characteristics of station structure according to adjacent construction. It was performed evaluation of the safety zone and excavation method for station structure. And after a review of damage evaluation, track irregularities and structural calculation by using a numerical analysis, stability of the station structure according to adjacent construction was evaluated to be secured. This study is expected to be used as basic data in advance if you need to review the effects of nearby structure according to adjacent construction.
Recently, it has been made many adjacent construction of inter-facility by the expansion of urban infrastructure facilities using the underground space. The complaints relating to the stability of the facility by adjacent construction is common. In this study, it was conducted for the subway line 5 Gimpo airport station structure in the upper Gimpo urban railway to determine the behavior characteristics of station structure according to adjacent construction. It was performed evaluation of the safety zone and excavation method for station structure. And after a review of damage evaluation, track irregularities and structural calculation by using a numerical analysis, stability of the station structure according to adjacent construction was evaluated to be secured. This study is expected to be used as basic data in advance if you need to review the effects of nearby structure according to adjacent construction.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
김포도시철도 실시설계 시 도로 및 민가, 기존 구조물 등 지장물 인접구간에 대한 발파 시 소음･진동영향을 최소화하기 위하여 발파진동 저감대책을 수립하였다. 지하철 5호선 김포공항역 하부 터널통과구간의 발파는 선대구경+라인드릴링 공법으로 계획되었으나 발파영향을 검토한 결과 제어발파 시 허용기준(0.
본 연구에서는 근접시공에 따른 정거장구조물의 안정성에 미치는 영향에 대한 연구 수행을 위해 근접시공 관련기준 및 사례, 근접도 평가 및 정거장구조물 안정성 확보를 위한 터널 굴착방법을 검토하였으며, 정거장 직하부 터널굴착에 따른 안정해석, 구조검토 및 연계해석을 통하여 현재운행 중인 정거장구조물의 거동특성을 검토하였다.
본 연구에서는 상부에 인접한 정거장구조물이 위치하고 있는 경우 지반 굴착공사에 따른 구조물 안정성에 미치는 영향을 검토하였다.
본 절에서는 김포도시철도 제5공구 건설공사와 관련하여 상부구조물 하부로 신설터널이 시공된 사례를 살펴보았다.
가설 설정
5m로 안전측 검토 수행을 위해초기 지하수위는 GL.-16.5m로 가정하였다.
제안 방법
(2) 김포공항역 하부 터널 통과구간의 발파는 상반의 경우 무진동 암파쇄 공법을 설계에 반영하였으나 하반의 경우에서도 발파 가능한 지발당장약량이 0.015kg 미만으로 검토됨에 따라 무진동암파쇄 공법을 적용하는 것으로 계획하였다.
개착시공 중 보강대책으로 수직 지반보강그라우팅(ϕ500mm, C.T.C 1,000mm)을 실시하고 지하수 유출에 의한 지반침하방지를 위해 차수공법을 적용하였다.
그러나 하반의 경우 발파굴착 적용이 가능한 지발당장약량이 0.015kg 미만으로 검토(Fig. 20)되어 발파굴착이 어려울 것으로 예상됨에 따라 무진동암파쇄 공법을 적용하는 것으로 계획하였다.
기존 정거장 안정성 확보를 위한 굴착 및 보강공법 등의 대책이 필요함에 따라 지보패턴을 상향 조정하여 상하분할 굴착 및 강관보강그라우팅을 적용하고 발파진동영향 최소화를 위해 약 60m 구간에 무진동 암파쇄 공법을 적용하였다.
김포공항역 정거장구조물의 기초지반은 연･경암으로 상대적으로 연암이 깊게 분포하는 구간을 선정하여 지하수위저하에 의한 침하영향 검토를 수행하였다. 대상구간의 지하수위는 GL.
본 연구에서는 MIDAS사의 GTS NX를 이용한 유한요소법을 이용하여 김포도시철도 109 정거장 가시설 시공단계를 고려한 터널 진입구간에 대해서 2차원 수치해석을 수행하고, 지하철 5호선 김포공항역 하부 터널통과구간에 대해 3차원 수치해석을 적용하여 정거장구조물의 손상도 평가, 궤도틀림 검토, 정거장구조물의 구조검토를 수행하였으며, 응력-침투 연계해석을 통한 지하수위 저하에 따른 영향을 추가적으로 검토하였다.
정거장구조물의 구조검토는 3차원 수치해석을 이용하여 수행하였으며, 구조물의 상부･중앙･하부 슬래브, 벽체 및 구조적으로 취약할 것으로 예상되는 경사기둥과 종방향 거더 접합부에 대하여 수치해석으로 산정된 부재력에 하중계수(1.6)를 고려하여 설계강도와 비교･평가하였다.
지하철 5호선 김포공항 정거장의 구조물 안정성 평가는 Fig. 33과 같이 상부･중앙･하부 슬래브, 벽체, 경사기둥 및 거더 접합부로 구분하여 구조검토를 수행하였다.
지하철 5호선 김포공항역 하부 터널굴착에 따른 구조물의 손상도 평가는 구조물의 기둥 및 벽체설치 방향에 따라 터널 굴착에 의해 발생되는 변위에 대하여 검토를 수행하였다. 정거장구조물 하부 통과 후 연직변위 검토결과 측선1과 교차하는 측선2와 측선4에서 상대적으로 크게 나타났으나 연직변위 및 수평변위는 모두 0.
지하철 5호선 김포공항역 하부 터널통과구간은 3차원 수치해석을 이용하여 인접구간인 지하철 9호선 정거장을 모사하여 수치해석에 반영하였으며, 검토 구간 내 상부 도로 및 지하차도에 대하여 도로하중으로 적용하여 안정해석을 수행하였다(Fig. 28).
23). 터널 단면방향으로 검토하여 발생된 최대천단침하를 종방향 검토 시 변위로 제어하였고 구조물, 가시설 및 배면 상재하중을 모사하였다.
터널굴착 단계별 손상평가를 위해서는 지표침하 거동을 이용하여 손상평가 인자인 각변위, 처짐비, 부등침하, 구조물의 최대침하량, 수평변형률 및 구조물에 발생 가능한 균열양상 등의 수치를 토대로 평가를 수행한다. 본 연구를 위한 대상구간에 위치하는 지하철 5호선 김포공항역 구조물의 손상 정도를 경험적으로 평가하기 위한 손상도 평가인자에 대한 허용기준을 Table 2와 같이 산정하였으며, Fig.
토사 및 풍화암 구간임을 감안하여 지하수 배수에 의한 토사구간 침하 및 지하수위 저하방지를 위해 차수 그라우팅을 실시하였다. 또한, 천공과 동시에 강관보강재의 시공이 이루어지는 직천공방식을 적용함으로써 천공 후 보강재 설치 중 천공붕괴 등의 문제를 예방하고, 시공시간을 최소화하여 시공성을 확보하였다.
대상 데이터
본 연구를 위한 검토구간은 김포도시철도 노선이 지나가는 지하철 5호선 김포공항 정거장 구간이다.
연구를 위한 대상구간은 김포한강신도시 건설에 따른 광역교통 개선대책으로 추진되고 있는 김포도시철도 109 정거장 터널 시공구간으로 지하철 5호선 및 9호선 김포공항역 하부 통과구간이며, 김포도시철도 시공에 따른 정거장구조물에 미치는 영향을 검토하였다.
지하철 5호선 김포공항 정거장의 선로 궤도틀림 평가는 각 방향별 레일위치에서 발생되는 변위를 이용하였으며, 지하철 방향 및 레일 위치에 따른 측선은 Fig. 31과 같다.
지하철 5호선 김포공항역 구조물은 지층조건, 주변 지장물, 지형 및 토피고 등에 따라 크게 4구간의 3종류 BOX 구조물로 준공되었다.
이론/모형
본 연구를 위한 대상구간에 위치하는 지하철 5호선 김포공항역 구조물의 손상 정도를 경험적으로 평가하기 위한 손상도 평가인자에 대한 허용기준을 Table 2와 같이 산정하였으며, Fig. 21과 같이 Boscardin & Cording(1989) 및 Burland(1997)이 제안한 간편도표에 의한 손상도 평가를 수행하였다.
성능/효과
(1) 지하철 5호선 김포공항역 구조물의 안정성 확보를 위한 안전구역 설정을 위해 근접도 평가를 수행한 결과 A급영역(안전진단 및 시공감리 주 1회 점검기준)에 해당되는 것으로 평가되었으나, 정거장구조물 기초지반 및 터널 주변지반이 경암이 분포하는 양호한 조건으로 터널시공에 따른 영향은 미소할 것으로 판단된다.
(3) 109 정거장 터널 진입구간의 터파기 시공완료 시와 터널 굴착 시 앵커 축력 및 파일의 수평변위는 허용기준을 만족하는 것으로 검토되었으며, 터널 굴착에 따른 정거장구조물의 손상도는 극미한 것으로 나타나 변형특성 영향은 크지 않은 것으로 평가되었다.
(4) 터널 굴착에 따른 정거장구조물 부재력은 시공단계별 거의 유사한 값으로 나타났으며, 설계강도를 만족하여 정거장구조물의 안정성은 확보되는 것으로 검토되었다.
(5) 운행안정성 확보를 위한 궤도틀림 검토결과 선로 변형은 매우 미소하게 발생하여 허용기준을 모두 만족하는 것으로 검토되었으며, 지하수위 변화로 인한 구조물 침하영향 검토결과 양호한 지반조건으로 인해 지하수위변화에 의한 침하영향은 미미한 것으로 나타났다.
109 정거장 터파기 시공 완료 시와 터널 진입구간 굴착에 따른 구조물손상도를 평가한 결과 발생 변위는 최대침하량, 부등침하량, 각변위, 처짐비, 수평변형률의 허용기준이내로 나타났으며, 손상도 간편도표에 의해 무시단계의 손상도로 평가되었다(Fig. 27).
109 정거장 터파기 시공 완료 시와 터널 진입구간 굴착에 따른 앵커 축력과 수평변위 차이는 크지 않은 것으로 나타났으며, 각각 허용인장강도 및 수평변위 허용기준을 만족하는 것으로 검토되었다(Fig. 24, 25).
기존 구조물의 기초부 기반암 출현심도가 높아지는 경향은 인근 건설공사 설계자료 및 김포도시철도 109 정거장 터파기 시공 시 작성된 암검측 자료로부터 타당성을 확인하였다.
김포도시철도 5공구 계획노선 설계 시 수행된 지반조사 결과 지층분포 상태는 지표로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 및 기반암(연암 및 경암) 순으로 이루어져 있는 것으로 조사되었으며, 김포도시철도가 통과하는 기존 지하철 구조물의 기초지반은 대부분 연･경암의 기반암이 높게 출현하는 것으로 조사되었다.
토사 및 풍화암 구간임을 감안하여 지하수 배수에 의한 토사구간 침하 및 지하수위 저하방지를 위해 차수 그라우팅을 실시하였다. 또한, 천공과 동시에 강관보강재의 시공이 이루어지는 직천공방식을 적용함으로써 천공 후 보강재 설치 중 천공붕괴 등의 문제를 예방하고, 시공시간을 최소화하여 시공성을 확보하였다. 좌측상부에 경인고속도로 지하차도가 인접하여 시공되는 구간은 좌측벽 일부에 FRP 보강 그라우팅을 추가 적용하여 강성을 증가시켰다.
응력-침투 연계해석을 통한 김포도시철도 터널 시공 후 김포공항역 구조물 안정성 검토결과 정거장구조물의 전체침하는 0.208mm, 부등침하는 0.034mm로 허용기준을 만족하는 것으로 검토되었다.
정거장 하부 터널통과에 따른 구조물 안정성 검토 결과 구조물의 발생 부재력 변화는 Fig. 34와 같이 터널 굴착 전대비 미소한 것으로 나타났으며, 발생 부재력에 대하여 하중계수(1.6)를 적용한 부재력으로 설계강도와 비교한 결과 모두 설계강도 이내로 나타나 정거장구조물의 안정성은 확보되는 것으로 검토되었다.
지하철 5호선 김포공항역 하부 터널굴착에 따른 구조물 손상도를 평가한 결과 발생 변위는 정거장구조물의 양호한 기초지반으로 인해 최대침하량, 부등침하량, 각변위, 처짐비, 수평변형률의 허용기준 이내로 나타났으며, 손상도 간편도표에 의해 무시단계의 손상도로 평가되었다.
지하철 5호선 김포공항역 하부 터널통과 후 궤도틀림을 평가한 결과 발생 변위에 대한 궤도틀림, 수평틀림, 고저틀림, 방향틀림은 허용치 이내로 나타났다(Fig. 32).
지하철 5호선 김포공항역 하부를 통과하는 김포도시철도 터널구간의 근접도 평가를 수행한 결과 Fig. 19와 같이 주 1회 점검이 요구되는 A급 관리영역에 해당되는 것으로 평가되었으나, 터널 주변지반이 공학적인 강도특성이 매우 양호한 경암이 분포함에 따라 김포도시철도 터널공사 시 지하철 5호선 김포공항역 구조물에 미치는 영향은 미소할 것으로 판단된다. 그러나 근접도 평가는 정거장구조물 주변공사에 따른 영향을 개략적으로 평가하는 방법이므로 신설터널의 형상, 하중, 시공조건 및 지반조건 등을 종합적으로 고려한 상세검토가 요구되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도시의 각종 기반시설 확충과 국토의 효율적인 활용을 위해 개발이 확대되고 있는 것은?
도시의 각종 기반시설 확충과 국토의 효율적인 활용을 위해 도로, 철도, 지하철, 전력･통신시설 및 수로시설 등 터널을 이용한 지하공간 개발이 확대되고 있다. 이로 인하여지상 시설물과 지하 시설물 또는 지하 시설물 상호 간의 근접시공으로 인해 시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하게 발생하고 있는 실정이다.
근접시공 시 구조물의 특징 및 주변지반 특성 등을 상세히 고려한 설계 및 시공방법이 적용되어야 하는 이유는?
이로 인하여지상 시설물과 지하 시설물 또는 지하 시설물 상호 간의 근접시공으로 인해 시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. 근접시공은 공사 정도가 난해하기 때문에 시공 진행에 따른 기존 구조물 및 주변 시설의 안전에 영향을 줄 수 있으므로 적극적인 대책이 수립되지 못할 경우 기존 구조물의 침하, 균열, 누수 및 박리 등 구조물의 안정성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.
시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하게 발생하고 있는 이유는?
도시의 각종 기반시설 확충과 국토의 효율적인 활용을 위해 도로, 철도, 지하철, 전력･통신시설 및 수로시설 등 터널을 이용한 지하공간 개발이 확대되고 있다. 이로 인하여지상 시설물과 지하 시설물 또는 지하 시설물 상호 간의 근접시공으로 인해 시설물의 안정성과 관련된 민원이 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. 근접시공은 공사 정도가 난해하기 때문에 시공 진행에 따른 기존 구조물 및 주변 시설의 안전에 영향을 줄 수 있으므로 적극적인 대책이 수립되지 못할 경우 기존 구조물의 침하, 균열, 누수 및 박리 등 구조물의 안정성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.
참고문헌 (13)
서울특별시도시철도공사 (2001), 도시철도인접굴착공사 관리실무, pp. 1-222.
서울특별시도시철도공사 (2008), 선로정비규정, 제2장 궤도정비기준 [별표 5].
Attewell, P. B. (1977), Ground movements caused by tunnelling in soil, Proc. of International Conference on Large Movements and Structures, London, pp. 812-948.
Attewell, P. B., Yeates, J. and Selby, A. R. (1986), Soil movements induced by tunnelling and their effects on pipelines and structures, Blackie, Glasgow.
Bjerrum, L. (1963), Allowable settlement of structures, Proc., 3rd European Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 2, Weisbaden, Germany, pp. 135-137.
Boscardin, M. D. and Cording, E. J. (1989), Building response to excavation-induced settlement, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 115, No. GT1, pp. 1-21.
Burland, J. B. (1997), Assessment of risk of damage to buildings due to tunnelling and excavation, Earthquake Geotechnical Engineering, Ishihara(ed.), Balkema, Rotterdam, pp. 1189-1201.
Burland, J. B. and Wroth, C. P. (1974), Settlement of buildings and associated damage, Proceedings of a Conference on Settlement of Structures, Cambridge, pp. 611-654.
Cording, E. J. and Hansmire, W. H. (1975), Displacements around soft ground tunnels, In Proceedings of the 5th PanAmerican Congress on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Buenos Aires, Session IV, pp. 571-632.
Lee, Y. J. (2004), Tunnelling adjacent to a row of loaded piles, Ph. D Thesis, University College London.
Lee, S. R., Woo, S. W. and Choi, C. S. (2010), Incheon metropolitan urban railroad line 2 (Construction section 206) project tunnel design case, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 58, No. 7, pp. 33-40 (in Korean).
Shin, S. Y., Lee, J. S. and Park, Y. G. (2009), A study on the stability of the existing subway structure due to nearby construction of new railway line, Conference of the Korean Society for Railway, Korean Society for Railway, pp. 2148-2165 (in Korean).
Sowers, G. F. (1962), Shallow foundations, chapter 6 in foundation engineering, ed. by G.A. Leonards, McGraw-hill, Inc., New York, pp. 525-641.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.