[논문]도시철도 인접굴착공사에 따른 운행선 궤도의 궤도틀림 분석

최정열; 이호현; 강유송; 정지승

doi:10.17703/jcct.2020.6.2.481

도시철도 인접굴착공사에 따른 운행선 궤도의 궤도틀림 분석
Evaluation of Track irregularity due to Adjacent Excavation Work on Serviced Urban Transit 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.2, 2020년, pp.481 - 487

최정열 (동양대학교 건설공학과) , 이호현 (산강이엔씨(주) 기술연구소) , 강유송 ((주)유신, 도시철도부) , 정지승 (동양대학교 건설공학과)

초록
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본 연구는 도시철도 선로를 인접하여 시공되는 대형굴착공사에 따른 기존 지하철 선로구조물의 구조적 안정성을 검토하고자 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 바탕으로 단계별 시공과정에서 발생되는 궤도틀림의 영향을 해석적으로 도출하였으며 관련 기준과의 비교를 통해 궤도변형측면에서의 안정성을 검토하였다. 분석결과, 줄틀림과 면틀림과 같이 일정거리에서의 상대변위차를 바탕으로 평가되는 궤도틀림 항목의 경우 인접굴착공사 시종점부와 같이 기존 구조물의 변형이 시작되는 위치에서 가장 명확하게 발생되었다. 반면 궤도의 전반적인 연직 및 수평변위는 공사구간의 중심에서 최대변형이 발생되었다. 인접굴착공사에 따른 기존 구조물의 변형측면의 취약위치는 공사구간의 중심과 같이 구조물의 변형이 크게 발생되는 위치뿐만 아니라 궤도틀림 측면에서는 공사 시종점 구간이 취약위치가 될 수 있음을 해석적으로 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, finite element analysis was performed to evaluate the track irregularity of the existing track system on urban transit according to the large-scale excavation work that is constructed adjacent to the serviced line. Based on the numerical analysis, the effect of track irregularity generated during the step-by-step construction process was analytically derived, and the stability in terms of track deformation was evaluated through comparison with related standards. As the results, in the case of track irregularity items evaluated based on the relative displacement difference at a certain distance, such as alignment and vertical irregularity, it occurred most clearly at the location where deformation of the existing structure begins, such as the end point of adjacent excavation work. On the other hand, the overall vertical and horizontal displacement of the track was the largest deformation at the center of the construction section. The vulnerable position of the deformed side of the existing structure due to adjacent excavation is analytically proven that the both of the end point section and the center of the construction can be a vulnerable position in terms of track irregularity.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 대상구간 단면도 Figure 1. Section view of target site
그림 그림 2. 수치해석 모델링 Figure 2. Schematic of finite element model
그림 그림 3. 수치해석 분석 위치 Figure 3. Evaluation point of FE model
그림 그림 4. 궤도틀림 개념도 Figure 4. Schematic of track irregularity
그림 그림 5. 연직변위 분석결과 Figure 5. Track vertical displacement by excavation step
표 표 1. 재료 특성치 Table 1. Properties of tunnel components
그림 그림 6. 수평변위 분석결과 Figure 6. Track horizontal displacement by excavation step
그림 그림 7. 방향틀림 분석결과 Figure 7. Alignment by excavation step
그림 그림 8. 고저틀림 분석결과 Figure 8. Vertical profile by excavation step
그림 그림 9. 궤간틀림 분석결과 Figure 9. Track gauge by excavation step
그림 그림 10. 수평틀림 분석결과 Figure 10. Cross level by excavation step

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 도시철도 인접구간의 대규모 굴착공사가 기존 지하철 궤도의 변형에 미치는 영향을 분석하고자 수치해석을 바탕으로 궤도틀림 발생수준을 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 기존 운행선 도시철도 선로에 인접하여 시공되는 신축구조물 공사를 위한 인접굴착공사에 의해 운행선 궤도의 궤도변형 수준을 파악하고자 굴착영역을 포함하여 운행선 궤도구조의 제원을 반영한 그림2와 같이 3차원 수치해석 모델링을 이용하여 굴착에 따른 궤도변형수준을 관련기준치와 비교·분석하였다[1-3,5-7].
본 연구의 목적은 복합시설 신축공사를 위한 굴착공사가 인접 지하철의 궤도틀림에 미치는 영향을 검토하는 것이다. 최근 빈번하게 시행되고 있는 도심지 재건축 및 신축건물 공사는 대부분 운행선 도시철도 노선주변으로 진행되고 있으며 넓은 면적을 깊은 심도로 굴착하는 추세이다.
그러나 현재까지 대부분의 인접굴착공사에 따른 지하철 영향평가는 박스나 터널과 같은 지하구조물에 집중되어 있는 실정이며 열차운행 안전 및 승차감등에 직접적인 영향을 미치는 궤도측면의 안정성 평가와 관련된 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 인접굴착공사로 인한 지하구조물의 변형 및 이에 따른 레일의 변형수준을 분석하고자 3차원 정밀 수치해석을 수행하였다. 본 수치해석은 지반거동 특성을 최대한 반영할 수 있도록 상세 모델링을 수행하였다.

제안 방법

굴착공사 진행단계별 지하철 궤도의 연직 및 수평방샹 변위를 비롯하여 이에 따른 궤도틀림(수평틀림, 고저틀림, 궤간틀림, 방향틀림)을 분석하여 그림 5∼그림10과 같이 나타내었다.
본 수치해석은 지반거동 특성을 최대한 반영할 수 있도록 상세 모델링을 수행하였다. 굴착공사로 인한 전반적인 안정성을 분석하였고 지하철 운행 중 안정성 평가를 위하여 국내 궤도틀림 관리기준을 준용하여 인접굴착 공사에 의한 운행선 궤도틀림 검토를 수행하였다[1-3]. 철도시설물의 인접굴착공사에 따른 운행선 검토 대상구간은 그림 1과 같으며 지하철 터널구조물의 우측에 굴착공사 현장이 위치하고 있다.
본 연구의 검토대상 지하철 구조물은 그림 1과 같이 굴착공사현장의 좌측에 위치하고 있다. 따라서 그림 3과 같이 좌, 우측 궤도의 변형차이를 함께 분석하기 위해 좌, 우측 궤도를 1, 2번 궤도로 구분하였으며 좌측궤도의 좌, 우측 레일은 L₁, L₂으로 우측궤도는 R₁, R₂로 구분하여 해석을 실시하였으며 해석에 적용된 재료 특성치는 표 1과 같다.
이에 본 연구에서는 인접굴착공사로 인한 지하구조물의 변형 및 이에 따른 레일의 변형수준을 분석하고자 3차원 정밀 수치해석을 수행하였다. 본 수치해석은 지반거동 특성을 최대한 반영할 수 있도록 상세 모델링을 수행하였다. 굴착공사로 인한 전반적인 안정성을 분석하였고 지하철 운행 중 안정성 평가를 위하여 국내 궤도틀림 관리기준을 준용하여 인접굴착 공사에 의한 운행선 궤도틀림 검토를 수행하였다[1-3].
따라서 본 수치해석은 과업구간의 굴착 길이(약 110m)보다 더 넓은 영역(170mm)을 설정하여 횡방향 뿐만 아니라 종방향에 대한 구조물의 상태평가가 충분히 이루어질 수 있도록 수치해석 Mohr-Coulomb 모델링 개요도를 그림 2와 같이 나타내었다. 인접굴착에 따른 기존 지하철 궤도의 안정성을 평가하는 기준은 궤도틀림이므로 레일이 부설된 위치에 해당하는 터널바닥면의 변위를 기준으로 궤도틀림을 분석하였다[9].
지하철 궤도틀림 영향평가는 레일에 발생되는 수직방향 또는 수평방향의 변위로 검토를 수행하였으며, 궤도틀림 항목별 개념도는 그림 4와 같다.

대상 데이터

본 연구의 검토대상 지하철 구조물은 그림 1과 같이 굴착공사현장의 좌측에 위치하고 있다. 따라서 그림 3과 같이 좌, 우측 궤도의 변형차이를 함께 분석하기 위해 좌, 우측 궤도를 1, 2번 궤도로 구분하였으며 좌측궤도의 좌, 우측 레일은 L₁, L₂으로 우측궤도는 R₁, R₂로 구분하여 해석을 실시하였으며 해석에 적용된 재료 특성치는 표 1과 같다.

이론/모형

본 연구에서는 과업구간 굴착영향에 대한 지하철의 영향평가가 주목적이며 철거 되는 지하철에 대한 초기 조건을 구현하고 굴착에 대한 입체적인 영향평가가 필요하다. 따라서 본 수치해석은 과업구간의 굴착 길이(약 110m)보다 더 넓은 영역(170mm)을 설정하여 횡방향 뿐만 아니라 종방향에 대한 구조물의 상태평가가 충분히 이루어질 수 있도록 수치해석 Mohr-Coulomb 모델링 개요도를 그림 2와 같이 나타내었다. 인접굴착에 따른 기존 지하철 궤도의 안정성을 평가하는 기준은 궤도틀림이므로 레일이 부설된 위치에 해당하는 터널바닥면의 변위를 기준으로 궤도틀림을 분석하였다[9].

성능/효과

고저틀림 분석결과, 좌측궤도의 경우 그림 8(a)와 같이 Step1 0.153mm, Step2 0.209mm, Step3 0.262mm, Step4 0.312mm, Step5 0.418mm, Step6 0.380mm로 나타나 굴착 초기단계에서는 좌측과 우측궤도의 고저틀림은 유사하게 나타났으나 굴착이 진행되는 과정에서 좌측과 우측궤도의 고저틀림 발생량은 다소 차이가 나타났다. 우측궤도인 그림 8(b)의 경우 Step1 0.
216mm, Step6 2.100mm로 나타나 그림 5(a)와 전반적인 연직변위의 발생경향은 유사하나 좌측궤도보다 상대적으로 큰 변위가 발생되는 것으로 분석되었다.
1) 지반조건 및 궤도구조를 모사한 3차원 연속체 정밀수치해석을 통하여 인접 굴착공사에 따른 운행선 궤도변형 영향을 분석한 결과, 인접굴착공사에 따른 지하철 궤도의 변형 수준은 같은 터널구조물 내에 존재한다하더라도 공사현장과의 근접도에 따라 변형수준은 상이한 것으로 분석되었으며 공사현장과 가까울수록 연직변위 발생특성과 연계된 궤도틀림항목의 크기가 직접적으로 영향을 받는 것으로 분석되었다. 반면 수평방향 궤도변위량은 비교적 큰 영향을 받지 않는 것으로 분석되었다.
2) 방향틀림과 고저틀림의 경우 공사구간의 시종점부에서 급격하게 궤도틀림이 증가하는 것으로 나타났으며 다른 궤도틀림과 달리 공사구간 중심부에서의 방향 및 고저틀림 발생수준은 매우 낮게 나타났다. 따라서 레일의 길이방향으로의 일정 기준거리(10m)에 대한 좌우레일의 상대변위차를 평가하는 궤도틀림의 항목은 인접굴착에 따라 구조물의 변형이 발생되는 위치인 공사 시종점부와 같이 발생변위의 변화가 큰 위치에서 궤도틀림도 크게 나타나는 것으로 분석되었다.
또한 공사구간 중심부에서는 단계별로 최대 수평변위량이 뚜렷하게 나타났다. 굴착공사 현장에 가까운 우측궤도는 그림 6(b)와 같이 Step1 0.404mm, Step2 0.565mm, Step3 0.726mm, Step4 0.889mm, Step5 1.435mm, Step6 1.372mm로 나타나 좌측궤도와 변위발생 경향은 유사한 것으로 나타났다. 또한 연직변위와 달리 수평방향 변위는 좌, 우측 궤도의 발생변위의 수준차이는 뚜렷하지 않은 것으로 분석되었다.
굴착단계별 지하철 궤도의 방향틀림 분석결과, 좌측궤도의 경우 그림 7(a)와 같이 Step1 0.046mm, Step2 0.068mm, Step3 0.090mm, Step4 0.111mm, Step5 0.187mm, Step6 0.178mm로 나타나 공사구간의 시종점부에서의 방향틀림 증가가 뚜렷하게 발생되는 것으로 나타났으며 공사구간 중심부에서 방향틀림의 수준은 매우 낮게 나타났다.
궤간틀림 분석결과, 좌측궤도는 그림 9(a)와 같이 Step1 0.004mm, Step2 0.003mm, Step3 0.003mm, Step4 0.004mm, Step5 0.007mm, Step6 0.006mm로 나타나 고저틀림 및 방향틀림과 달리 공사구간의 시종점부에서의 궤간틀림 증가가 뚜렷하게 발생되지 않았으며 공사구간 중심부에서는 궤간틀림의 수준이 매우 큰 것으로 나타났다.
그림 5와 같이 연직방향 궤도변위 분석결과, 좌측궤도인 그림 5(a)의 터파기 단계별 최대연직변위는 Step1 0.549mm, Step2 0.732mm, Step3 0.902mm, Step4 1.067mm, Step5 1.391mm, Step6 1.321mm로 나타나 공사구간의 시종점부에서의 변위 증가가 완만하게 발생되는 것으로 나타났다. 또한 공사구간 중심부에서는 단계별로 최대 연직변위량이 뚜렷하게 나타났다.
2) 방향틀림과 고저틀림의 경우 공사구간의 시종점부에서 급격하게 궤도틀림이 증가하는 것으로 나타났으며 다른 궤도틀림과 달리 공사구간 중심부에서의 방향 및 고저틀림 발생수준은 매우 낮게 나타났다. 따라서 레일의 길이방향으로의 일정 기준거리(10m)에 대한 좌우레일의 상대변위차를 평가하는 궤도틀림의 항목은 인접굴착에 따라 구조물의 변형이 발생되는 위치인 공사 시종점부와 같이 발생변위의 변화가 큰 위치에서 궤도틀림도 크게 나타나는 것으로 분석되었다.
226mm로 나타나 궤간틀림과 같이 공사구간의 시종점부에서의 수평틀림 증가가 뚜렷하게 발생되지 않았으며 공사구간 중심부에서 최대 틀림이 발생되는 것으로 분석되었다. 또한 Step1과 Step2, Step5와 Step6은 근소한 차이의 수평틀림의 변위를 보이지만 Step3과 Step4에서 변화량이 뚜렷하게 발생된 것으로 나타났다.
또한 방향틀림과 같이 고저틀림 역시 공사구간의 시종점부에서 뚜렷한 변화가 나타났으며 공사구간 중심부에서 고저틀림의 수준은 매우 낮게 나타났다. 레일길이 10m에 대한 좌우레일의 상대변위차를 평가하는 고저틀림은 인접굴착에 따라 구조물의 변형이 발생되는 위치인 공사 시종점부와 같이 발생변위의 변화가 큰 위치에서 고저틀림도 크게 나타나는 것으로 분석되었다.
수평방향 궤도변위 분석결과, 좌측궤도인 그림 6(a)의 터파기 단계별 최대 수평변위는 Step1 0.401mm, Step2 0.559mm, Step3 0.717mm, Step4 0.875mm, Step5 1.405mm, Step6 1.344mm로 나타나 공사구간의 시종점부에서의 수평변위 증가가 완만하게 발생되는 것으로 나타났다.
수평틀림 분석결과, 좌측궤도의 경우 그림 10(a)와 같이 Step1 0.081mm, Step2 0.111mm, Step3 0.254mm, Step4 0.172mm, Step5 0.239mm, Step6 0.226mm로 나타나 궤간틀림과 같이 공사구간의 시종점부에서의 수평틀림 증가가 뚜렷하게 발생되지 않았으며 공사구간 중심부에서 최대 틀림이 발생되는 것으로 분석되었다. 또한 Step1과 Step2, Step5와 Step6은 근소한 차이의 수평틀림의 변위를 보이지만 Step3과 Step4에서 변화량이 뚜렷하게 발생된 것으로 나타났다.

후속연구

3) 본 연구에서 제시한 해석방법을 바탕으로 인접굴착 공사에 따른 궤도변형 특성을 파악하였으며 향후 실제 현장측정결과를 바탕으로 해석결과의 검증 및 실효성 입증을 위한 보완연구가 필요할 것으로 판단되었다. 또한 정밀한 수치해석을 바탕으로 궤도변형의 수준을 사전에 파악함으로써 공사중 궤도변형 모니터링을 위한 계측기 설치위치 결정에도 도움이 될 것으로 사료된다.
3) 본 연구에서 제시한 해석방법을 바탕으로 인접굴착 공사에 따른 궤도변형 특성을 파악하였으며 향후 실제 현장측정결과를 바탕으로 해석결과의 검증 및 실효성 입증을 위한 보완연구가 필요할 것으로 판단되었다. 또한 정밀한 수치해석을 바탕으로 궤도변형의 수준을 사전에 파악함으로써 공사중 궤도변형 모니터링을 위한 계측기 설치위치 결정에도 도움이 될 것으로 사료된다.
터널 좌, 우 측방 해석범위는 지반의 초기응력 상태(측압계수)에 영향을 받으며, 측압계수가 클수록 영향범위는 증가하고 해석범위는 터널형상, 터널단면 크기, 대상지반의 지질특성 등의 영향을 받는 것으로 알려져 있다[1-3,7]. 본 연구에서는 과업구간 굴착영향에 대한 지하철의 영향평가가 주목적이며 철거 되는 지하철에 대한 초기 조건을 구현하고 굴착에 대한 입체적인 영향평가가 필요하다. 따라서 본 수치해석은 과업구간의 굴착 길이(약 110m)보다 더 넓은 영역(170mm)을 설정하여 횡방향 뿐만 아니라 종방향에 대한 구조물의 상태평가가 충분히 이루어질 수 있도록 수치해석 Mohr-Coulomb 모델링 개요도를 그림 2와 같이 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재까지의 인접굴착공사에 따른 지하철 영향평가는 어떠한가?	따라서 현재 운영되고 있는 지하철 궤도가 위치하는 검토지역에 복합시설 신축공사 굴착공사로 인한 입제적인 궤도틀림 영향평가를 바탕으로 운행선 궤도구조의 안정성 확보여부를 파악하는 것이 중요하다. 그러나 현재까지 대부분의 인접굴착공사에 따른 지하철 영향평가는 박스나 터널과 같은 지하구조물에 집중되어 있는 실정이며 열차운행 안전 및 승차감등에 직접적인 영향을 미치는 궤도측면의 안정성 평가와 관련된 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 인접굴착공사로 인한 지하구조물의 변형 및 이에 따른 레일의 변형수준을 분석하고자 3차원 정밀 수치해석을 수행하였다.
	복합시설 신축공사를 위한 굴착공사가 인접 지하철의 궤도틀림에 미치는 영향은?	반면 궤도의 전반적인 연직 및 수평변위는 공사구간의 중심에서 최대변형이 발생되었다. 인접굴착공사에 따른 기존 구조물의 변형측면의 취약위치는 공사구간의 중심과 같이 구조물의 변형이 크게 발생되는 위치뿐만 아니라 궤도틀림 측면에서는 공사 시종점 구간이 취약위치가 될 수 있음을 해석적으로 입증하였다.
	도심지 재건축 및 신축건물 공사의 추세는?	본 연구의 목적은 복합시설 신축공사를 위한 굴착공사가 인접 지하철의 궤도틀림에 미치는 영향을 검토하는 것이다. 최근 빈번하게 시행되고 있는 도심지 재건축 및 신축건물 공사는 대부분 운행선 도시철도 노선주변으로 진행되고 있으며 넓은 면적을 깊은 심도로 굴착하는 추세이다. 따라서 현재 운영되고 있는 지하철 궤도가 위치하는 검토지역에 복합시설 신축공사 굴착공사로 인한 입제적인 궤도틀림 영향평가를 바탕으로 운행선 궤도구조의 안정성 확보여부를 파악하는 것이 중요하다.

참고문헌 (9)

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S.S. Lee, S.J. Lee, Y.G. Park, S.S. Jeon, "Assessment of Track Stability for Urban Railway in Adjacent to Deep Excavation" 2016 Spring Conference of the Korean Society for Railway, pp. 361-366, 2016
B.S. Oh, "A Case Study on the Cause and Reinforcement of Railroad Facilities Settlement According to the Ground Excavation", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 13, No. 10, pp. 85-94, 2012
S.S. Jeon, S.S. Lee, "Track Stability Assessment for Deep Excavations in Adjacent to Urban Railways", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 19, No. 6, pp. 614-627, 2018
S.B. Seo, J.W. Park, "Measurement Management of Track Irregularity in the Case of Crossing or Neighboring Railway Construction and Improvement", Journal of the Korean Society of Civil Engineers Magazine, Vol. 55, No. 1, pp. 49-56, 2007
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Lee, S., "A Study on Ground Subsidence Stability when Applied in Multi-layer Composite Foundation Soil", Master's thesis, Seoul National University of Science and Technology, 2015
J.Y. Choi, P.S. Kim, J.S. Chung, "A Study on Optimum Spacing of Rail Joint for Personal Rapid Transit(PRT) Track System," The Journal of the Convergence on Culture Technology (JCCT), Vol. 4, No. 3, p.213-220, 2018

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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