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문제 정의
- 또한, 환기소가 위치한 지역의 오염물질 농도가 환경기준을 만족하고 있으나, 인근 주거지역으로부터의 민원발생 가능성을 최소화하기 위하여 미세먼지 제거효과가 우수한 전기집진설비를 설치 계획하였다.
제안 방법
- 그림 6은 복층터널 구간에 총 4개소 설치된 수직구 표준단면으로 풍도공간, 대피계단, 엘리베이터 및 작업차량의 크기 등을 고려하여 표준단면계획을 수립하였다. 각 수직구는 운영중 터널내 환기 풍도로 사용되며, 사고발생시, 외부탈출로의 기능을 수행할 뿐만 아니라, 공사중에는 작업구로 활용할 수 있도록 계획하여 총 10개의 작업조를 동시에 투입하는 공기단축 방안을 수립하였다.
- 각 지반등급별 시험결과를 통계분석 하여 지반정수를 산정 하였으나, 도심지 대심도 암반의 공학적 특성에 관한 경험적 자료가 부족한 실정으로 지하철과 산악지 터널의 자료를 추가적으로 반영함으로써 암반평가에 관한 신뢰도를 확보하였다.
- 9km의 장대터널로서, 연장 기준으로는 방재1등급 터널이지만, 위험도기준으로는 방재2등급에 해당하는 터널로서, 피난연결통로, 비상주차대, 소화기구 및 옥내소화전 등의 방재시설만을 의무 설치하도록 규정 되어 있다(국토해양부, 2009). 그러나 도심지 대심도 터널임을 고려하여 수직구를 이용한 피난대피터널, 물분무 설비를 추가적으로 계획하였다(그림 15).
- 그림 2에서 볼 수 있듯이 시·종점부 진·출입구간(L=1.6km)에는 단층구조에서 복층구조로 변화하는 개착구조물을 계획하였고, 중앙부 대심도 터널구간(L=9.3km)에는 국내 최초로 NATM공법에 의한 복층 터널 형식을 적용하였다.
- 이러한 굴착안정성 문제를 해결 하기 위하여 Double-Shield TBM을 적용하더라도, 전술한 바와 같이 세그먼트 라이닝 적용에 따른 경제성 저하로 적용성이 양호하지 않다. 따라서, 국내 시공실적이 풍부하여 암반조건 변화에 대응성이 우수하고, 수직환기구를 이용하여 공기를 단축할 수 있으며, 경제성에서도 우수한 NATM공법을 굴착공법으로 선정하였다.
- 따라서, 대단면 터널인 동시에 도심지 암반을 통과하는 점을 고려하여, RMR 및 Q 분류에 의해 경험적으로 산정한 지보량에 대해 지하철과 3∼4차로 대단면 터널 설계 및 시공사례 검토결과를 추가 반영하여 표 4와 같이 표준지보패턴을 계획하였으며, 지장물 인접구간, 하천횡단구간 및 단층파쇄대 통과 구간 등에 대한 안정성 확보방안은 표 5와 같다.
- 0km에 이르는 것으로 나타났다. 따라서, 차수그라우팅을 계획 하여 영향범위를 500m로 축소함으로써 서부간선 지하도로 인근 지하수 환경에 영향이 없도록 하였다.
- 따라서, 평상시 교통환기력을 이용하여 경제성 측면에서 유리하면서도, 화재시에는 횡류식의 우수한 배연성능을 발휘할 수 있는 환기방식의 도입을 검토하였으며, 그림 14와 같이 차량지체시, 수직구를 이용하여 종류식으로 급·배기하고 화재시에는 화재지점 대배기구를 개방하여 풍도를 통해 배연하는 수직구종류식+집중배연방식을 적용하였다.
- 전달할 수있게 하였으며, 50m 간격의 대배기구를 이용하여 화재지점 200m구간을 집중배연함으로써 연기확산을 억제하고 250m 간격의 피난연결통로와 수직구 내부의 지상탈출로를 통해 인명이 대피할 수 있도록 하였다(그림16). 또한, 소형응급차량을 운영하여 2m 폭의 비상차로를 통한 신속한 구난이 가능하고, 인명 대피 이후에는 옥내소화전과 이중헤드형 물분무설비를 이용하여 화재를 진압할 수 있도록 하였다.
- 이러한 압박감 해소를 위해 LED tube 조명에 의한 시각효과를 도입하였고, 초장대터널내 운전자의 정서적 불안감을 해소하기 위한 경관조명계획 및 안전시설 등의 정보알림용 색채도장 계획을 수립하였다(그림 17). 또한, 장대터널 주행성 확보방안으로 벽면조사조명(그림 18)을 추가하여 터널내 시환경을 개선하였고, 터널내 정보 시인성 확보를 위해 LCS․QWS 및 시선유도등을 설치하였다(그림 19).
- 복층터널 전 구간이 안양천을 따라 계획되어 있는 서부간선 지하도로 특성을 고려하여, 터널굴착에 따른 광역적 지하수 유동 및 굴착면 주변 지하수 거동분석 결과를 방·배수 계획에 반영하였다.
- 3km)에는 국내 최초로 NATM공법에 의한 복층 터널 형식을 적용하였다. 복층터널은 최대 88.4m의 대심도 암반에 위치시켜, 노선구간내 전력구 등 기존의 천심도 지하기반시설물과 충분한 이격거리를 확보하였다.
- 서부간선 지하도로 노선을 따른 지층의 분포와 기반암의 공학적 특성을 파악하기 위해 평균 간격 188m로 총 58공의 시추조사와 실내시험 및 현장시험을 병행하여 수행하였다(그림 3). 시추결과, 풍화대가 매우 깊은 심도까지 발달해 있어 시·종점부의 토사 및 풍화암층이 최대 32.
- 위성 및 항공사진을 이용한 광역 선구조 분석 및 지질도 분석 결과, 과업구간내 분포하고 있는 단층은 포천단층의 분절단층임을 파악하였으며 현장조사를 통한 광물신장배열, 엽리궤적 분석결과로부터 터널과 교차하는 단층 6개소의 입체적 분포를 추정하였다. 단층대 영향범위는 14～36m로 단층대 통과시 지하수 유입과 과도한 변형등에 대한 대책공법이 필요한 것으로 나타났다(그림 3).
- 소형차 전용 지하도로는 대형차가 혼입되는 터널에 비하여 시설한계가 낮고 서부간선 지하도로와 같이 풍도슬래브를 설치하는 경우, 진출입부와 같은 종단상 경사구간에서 운전자에게 압박감이 발생할 수 있다. 이러한 압박감 해소를 위해 LED tube 조명에 의한 시각효과를 도입하였고, 초장대터널내 운전자의 정서적 불안감을 해소하기 위한 경관조명계획 및 안전시설 등의 정보알림용 색채도장 계획을 수립하였다(그림 17). 또한, 장대터널 주행성 확보방안으로 벽면조사조명(그림 18)을 추가하여 터널내 시환경을 개선하였고, 터널내 정보 시인성 확보를 위해 LCS․QWS 및 시선유도등을 설치하였다(그림 19).
- 복층터널 라이닝에 작용하는 설계작용하중은 자중, 이완하중, 잔류수압, 온도하중 뿐만 아니라 브라켓에 의해 전달되는 슬래브 작용하중이 추가된다. 이완하중 산정시, 지반특성에 따라 발파하중에 의한 암반손상영역, 경험적 방법에 의한 이완하중고를 적용하였다. 잔류수압은 차수그라우팅을 고려한 침투류 해석 결과값과 문헌에 제시된 경험값(1/3Ht～1/2Ht)을 비교하여 안전측으로 적용하였다.
- 이완하중 산정시, 지반특성에 따라 발파하중에 의한 암반손상영역, 경험적 방법에 의한 이완하중고를 적용하였다. 잔류수압은 차수그라우팅을 고려한 침투류 해석 결과값과 문헌에 제시된 경험값(1/3Ht～1/2Ht)을 비교하여 안전측으로 적용하였다. 라이닝 온도하 중은 대심도 터널이므로 건조수축에 대해서만 고려하였다.
- 종류식 환기를 위한 수직구 3개소외에 비상시 외부 탈출로 확보를 위한 비상탈출구 1개소를 추가 계획하였고, 250m이하의 간격으로 총 35개소의 피난연결통로를 설치하여 터널내 비상상황 발생시 대피할 수 있도록 하였다(그림 2). 그 밖에, 종점부에는 관리사무소 기능을 겸한 금천영업소가 위치하고 있으며, 시점부에는 유지관리 효율성 증진 및 방재기능 강화를 위해 양평관리분소를 계획하였다.
- 그림 11은 3차원 Shell요소를 이용한 안정검토 결과 및 철근보강 방안이다. 중앙슬래브는 터널라이닝과 동시 시공되는 슬래브 지지용 브라켓 상부의 탄성받침에 거치하도록 계획하였으며, 탄성받침 간격을 2m로 설정하여 1방향 슬래브 거동을 유도하였다(그림 12).
- 지반조건에 따른 터널 굴착면 주변지반의 지하수 거동 분석과 터널내 유입량을 예측하기 위해 연속체 침투류 해석과 불연속체 수리해석을 수행하였다. 터널내 유입량 기준 3.
- 터널구간내 RMR은 18∼82의 분포를 보이며 전 구간에 걸친 전기비저항 탐사 결과와 연계함으로써 미시추구간의 지반등급 분류를 수행하였다.
- 터널내 유입량 기준 3.0m³/min/km를 초과하는 지반등급-Ⅳ이하 구간에 대하여 차수그라우팅을 적용함으로써 터널내 유입량을 조절하였으며, 그림 8에서 볼 수 있듯이 집수정이 설치된 각 수직구 위치에서의 유입량이 기준치 이내인 것을 확인하고 집수정 및 펌프용량 산정에 반영하였다.
- 서부간선 지하도로는 국토해양부에서 제시한 소형차 도로의 횡단구성 및 시설한계(2009)를 만족하도록 단면계획을 수립하고, 상기한 해외사례를 추가적으로 고려하여 단면내 여유공간 확보 및 시설계획에 반영하였다. 특히 우측 길어깨폭을 2.0m로 확대 적용함으로써 병렬터널의 차량용 피난연결통로와 같이 비상시 구급차량이 통과할 수 있는 공간을 확보하였다. 표 2와 그림 5는 본선 표준단면 구성요소에 관한 상세이다.
- 화재시에는 자동화재감지설비, 영상유고감지시설 등을 설치하여 사고상황을 신속히 파악·전달할 수있게 하였으며, 50m 간격의 대배기구를 이용하여 화재지점 200m구간을 집중배연함으로써 연기확산을 억제하고 250m 간격의 피난연결통로와 수직구 내부의 지상탈출로를 통해 인명이 대피할 수 있도록 하였다(그림16).
성능/효과
- 상시 지하수위를 측정한 결과, GL(-)7.35m로 지하수위가 높게 형성되어 있으며, 다양한 위치와 심도에서 수압시험을 수행한결과, 암반 투수계수가 1.62×10-4∼3.569×10-6cm/sec의 분포를 보여 암반파쇄상태 및 암질에 따라 깊은 심도에서도 높은 투수성을 나타낼 수 있을 것으로 예상된다.
- 표 7에서는 중앙슬래브와 라이닝간 연결구조에 따른 구조적 거동을 비교검토 하였다. 연결구조를 적용하는 경우, 중앙슬래브와 라이닝간 상호 하중작용에 의해 라이닝에 추가적인 철근보강이 필요할 뿐만 아니라 중앙슬래브도 Tendon을 이용한 프리스트레스 구조를 도입해야 하는 것으로 나타났다. 분리구조를 적용하는 경우, 터널라이닝에 작용하는 부가적인 하중을 최소화하고 중앙슬래브를 철근콘크리트 휨 거동 부재로 계획할 수 있다.
- 그림 7은 차수대책을 병행한 부분배수형 터널굴착시, 광역적 지하수 유동을 분석한 내용이다. 한강 및 안양천을 반무한한 지하수 유입원으로 고려하여 터널 전체 연장에 걸쳐 인접한 지역의 지하수 유동을 분석한 결과, 지하수 변동 영향범위가 최대 2.0km에 이르는 것으로 나타났다. 따라서, 차수그라우팅을 계획 하여 영향범위를 500m로 축소함으로써 서부간선 지하도로 인근 지하수 환경에 영향이 없도록 하였다.
후속연구
- 끝으로, 설계기준 등이 미비한 상태에서 다양한 논의를 거쳐 설계를 진행하는 과정중에 드러난 핵심 사항 및 미결과제를 제시하고자 하며, 유사한 사업계획 수립시 시행착오를 최소화 할 수 있는 계기가 되었으면 한다.
- 종단선형을 상향조정하여 EPB type의 MIX Shield를 적용하는 경우, 시·종점부 개착구조물 연장축소, 1차 지보 불필요 등의 비용절감과 굴착안정성 증진 등의 장점이 있으나, 세그먼트 라이닝 비용이 대폭 증가하여 터널공사비의 약 40%에 달하게 되므로, 강섬유 콘크리트 적용 또는 세그먼트 패턴 다양화 등 별도의 세그먼트 라이닝 최적화 방안을 수립해야만 적용가능 할 것으로 판단된다.
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