분리형 기초시스템(Disconnected Piled Raft Foundation) 적용 사례 I 

(설계 및 성능평가)

1. 개요

최근에 구조물들은 점점 더 대형화 되고 있고(고층 빌딩, 에너지플랜트, 장대교량 등), 프로젝트 수행지역이 다양해지면서 일부 구조물은 매우 열악한 조건(강진지역, 연약지반 등)에서 시공하게 되었다. 이에 따라, 기초 시스템은 직접기초에서 말뚝기초, 말뚝지지 전면기초 (Piled Raft)로 발전해 왔고, 현재 분리형 기초(Disconnected Piled Raft)까지 점점 진화해 왔다. 여기서 분리형 기초는 말뚝과 상부 구조물을 연결하지 않고 하중전이층(쇄석)을 두어 말뚝과 지반이 하중을 지지하는 기초 형식이다. 이는 직접기초와 말뚝기초의 특징을 융합한 기초형식으로, 직접기초와 비교 시 기초 하부에 RI(Rigid Inclusion : 보강형 말뚝체)가 존재하여 기초 침하량을 저감시킬 수 있고, 말뚝기초와 비교 시 상부 하중을 지반과 상호분담할 수 있으며, 지진 시 상부기초와 말뚝보강체가 분리되어 있어 보강체 상부에 작용하는 전단력과 휨모멘트를 저감시킬 수 있는 장점이 있다. 

이러한 분리형 기초시스템을 이용할 경우, 강진지역 등의 매우 열악한 현장조건에서 경제적인 설계가 가능하기 때문에 유럽 등지에서 이에 대한 연구가 활발히 진행되었고, 현대건설에서도 분리형 기초 설계 기술 개발을 위해 FEM 해석을 통해 실제 프로젝트의 설계에 적용하고, 원심모형시험 등을 통해 성능을 평가했으며, 시공 후 장기 모니터링을 통한 설계검증을 수행하였다.

2. 분리형 기초 설계 적용

분리형 기초를 적용한 현장은 쿠웨이트의 LNG 터미널 프로젝트로서, 그림 2와 같이 용량 225,000㎥(직경 96m, 높이 45m)인 저장탱크 8개의 건설을 포함하며, 지반조건은 아래 표 1과 같다. 

지반조건 상 직접기초가 불가능하기 때문에, 말뚝기초로 설계할 필요가 있었다. 하지만 본 현장은 강진지역으로 지진 시 수평하중에 대한 안정성을 고려할 경우 말뚝물량이 상당히 늘어나기 때문에 분리형 기초형식을 적용하였고, 이를 통해 원 설계된 직경 1.2m~1.5m의 철근 콘크리트 현장타설말뚝을 직경 0.8m의 무근 콘크리트 현장타설말뚝으로 변경하여 설계를 최적화 하였다.

분리형 기초 설계 시 3D FEM 해석을 통해 거동을 분석하는 것은 시간이 많이 걸리기 때문에, 그림 3과 같은 simplified method인 unit-cell model법을 통해 탱크기초의 거동을 분석하였다. 탱크기초 거동 분석은 시공단계와 운영단계에 대해 PLAXIS 2D를 통해 수행하였다. 해석결과는 그림 4와 같이, 최대하중이 작용하는 Hydraulic test시 최대 침하량은 130 mm인 것으로 나타났고, 설계기준인 각변위 1/300을 만족하는 것으로 나타났다.

설계 후, Simplified method로 분석된 침하거동이 적절한지 판단하기 위해, 그림 5와 같이 PLAXIS 3D를 이용하여 설계법에 대한 검증을 추가로 수행하였다. 해석결과 최대 침하량이 약 130 mm으로 나타나 2D 해석결과와 거의 유사한 것으로 나타났고, 전체적인 침하형상도 유사하므로 simplified method를 통한 설계법이 합리적인 것으로 판단된다.

Unit-cell model을 통해 개별 RI의 구조적 안정성도 검토하였다. 탱크기초는 크게 중앙부와 외곽부로 나눌 수 있고, 시공단계 및 운영단계에서 기초판에 작용하는 하중은 표 2와 같다. 이와 같은 하중이 작용했을 때, RI에 작용하는 축응력은 그림 6과 같다. 중앙부의 경우 RI에 작용하는 최대 응력이 4.5MPa, 외곽부의 경우 최대 응력이 4.8MPa인 것으로 나타나, 일반적인 30MPa 무근콘크리트 적용 시 안정성에 문제가 없는 것으로 판단되었다.

내진 해석은 SSI(Soil-Structure Interaction)을 고려하여 수행하였다. 이를 위해 운동학적 힘(kinematic force)에 대한 해석결과와 관성학적 힘(inertial force)에 대한 해석결과를 결합하여 RI의 구조적 안정성을 검토하였다. 

본 구조물은 RI가 촘촘한 간격으로 넓은 영역에 분포하기 때문에 이를 균일한 block으로 대체가 가능하며, 수평 거동분석을 위한 전단탄성계수에는 RI가 영향을 미치지 않기 때문에, 운동학적 힘에 의한 거동을 분석을 위해 SHAKE 2000 프로그램을 이용하여 자유장응답해석(free field response analysis)를 수행하였다. 그림 7과 같이 지반의 변동성을 고려하여 3개의 지반 전단탄성계수와 3개의 reference time history를 이용하여 총 9가지 경우에 대한 응답스펙트럼(response spectrum)을 산정하였다. 이를 통해 관성학적 힘을 구하기 위해 평균 응답스펙트럼을 산정하였고, 지면의 상대변위 및 심도별 변형형상을 평가할 수 있는 Madera method를 이용하여, RI의 운동학적 힘에 의한 수평변위를 산정하였다.

수평 및 torsion에 대한 해석 시에는 RI가 전단 탄성계수에 영향을 미치지 않고, 연직 및 rocking에 대한 해석 시 사용되는 동적 탄성계수에는 이를 고려해야 한다(Charles Bernuy et al.,2018). RI가 고려된 등가 동적탄성계수는 Taspie+(Terrasol) 프로그램을 이용하였고, impedance는 SASSI 프로그램을 이용하여 산정하였다.

지반응답해석으로 산정된 관성학적 힘에 의한 RI의 거동을 분석하기 위해서, 그림 8과 같이 PLAXIS 3D를 이용하여 해석을 수행하였고, 관성학적 힘을 기초판에 적용하였다. 해석 시 RI를 전부 모사하지 않고, 균일한 등가의 block으로 모델을 단순화 하여 해석하였다. RI의 영향으로 인해, 수평과 연직에 대한 지반 물성치가 다르기 때문에, 이방성을 고려할 수 있는 Jointed Rock model을 이용하여 지반을 모사하였다. 

RI의 거동을 분석하기 위해, 그림 9와 같이 운동학적 힘에 의한 해석결과와 관성학적 힘에 의한 해석결과를 결합하여 RI의 수평변위 및 휨 모멘트를 산정하였다. AFPS(French Association for Earthquake Engineering, 2012)의 recommend에 따라, 구조물의 고유진동수가 RI의 고유진동수보다 1.2배 클 경우에는 g_tot(z)=√ (g(z))2+(g*(z))2  이고, 아닌 경우에는 두 변형 곡선의 합으로 산정하였다(Charles Bernuy et al.,2018).

3. 분리형 기초의 성능평가

분리형 기초와 말뚝지지 전면기초 비교 시 거동특성을 분석하여, 설계를 검증하기 위해 원심모형실험을 수행하였다(국토교통연구인프라운영원, 2017). 총 두 가지(정적, 동적)로 분류하여 원심모형실험을 실시하였고, 정적 원심모형실험의 경우, 기초 형식에 따른 하중-침하곡선, 기초 지지력, 기초-말뚝 하중 분담율 분석을 목표로 하였고, 동적 원심모형실험은 지진 시 기초 형식 및 말뚝 종류에 따라 기초 및 상부 구조물에 작용하는 지진 가속도 분석을 목표로 하였다. 

정적 원심모형실험의 경우, 분리형 기초의 정적 거동을 평가하기 위해 분리형 기초, 말뚝지지 전면기초, 직접기초의 총 3가지 기초형식에 대해, 그림 10, 그림 11과 같이 실험을 수행하였다. 이를 통해서 기초지지력, 말뚝 축 하중, 말뚝 휨모멘트를 평가하였다. 실험조건은 아래와 같다.

- 모델링 대상 : 분리형 기초 / 말뚝지지 전면기초 / 직접기초

- 말뚝 제원 : 3 x 3 piles(9EA), D = 1.0m , L = 20m , Con’c Pile

- 가진 하중 : 정적하중 최대 113 MN 까지 순차적으로 재하

위 실험을 통해 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었고, 이를 토대로 연직 하중 작용 시 분리형 기초는 말뚝지지 전면기초 대비 침하량이 약간 증가하지만, 직접기초 대비 큰 폭으로 감소한다는 결론을 얻을 수 있었다.

- 침하량 25 mm기준으로 지지력 검토 시, 직접기초 지지력 대비 약 2.8배로 크게 증가하였으며, 말뚝지지전면기초 지지력 대비 약 7% 감소한 것으로 나타남(그림 12)

- 분리형 기초의 말뚝에 작용하는 축하중 및 모멘트는 말뚝지지 전면기초 대비 약 40% 감소하는 것으로 나타남(그림 13, 그림 14)

동적 원심모형실험의 경우, 지진 시 말뚝의 휨 모멘트를 평가하기 위해 콘크리트 말뚝과 강관 말뚝에 대해 각각 분리형 기초 및 말뚝지지 전면기초 조건으로 총 4가지 경우에 대하여 그림 15, 그림 16과 같이 실험을 수행하였다. 이를 통해서 지반-기초-구조물 상호작용을 평가하고, 지진 시 말뚝에 가해지는 휨 모멘트를 평가하였다. 실험조건은 아래와 같다.

- 모델링 대상 : 교량 구조물의 분리형 기초 및 말뚝지지 전면기초 

- 말뚝 제원 : 3x3 piles(9EA), D = 1.0m , L = 20m, Con’c Pile / Steel Pile

- 가진 지진파 : Hachinohe (장주기파), Ofunato (단주기파) , 최대 0.35~0.40g 까지 순차적 가진

위 실험을 통해 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었고, 이를 토대로 지진 발생 시 분리형 기초에 작용하는 수평하중이 말뚝지지 전면기초 대비 큰 폭으로 감소한다는 결론을 얻을 수 있었다.

- 지진 시 약진의 경우, 기초판의 최대 가속도는 분리형 기초, 말뚝지지 전면기초 둘 다 유사하지만, 강진의 경우 분리형 기초에서 크게 감소함(그림 17)

- 지진 시 약진, 강진 상관 없이 상부 구조물에 작용하는 최대 가속도는 분리형 기초에서 약 15~20% 감소하는 것으로 나타남(그림 18)

- 지진 시 말뚝에 작용하는 최대 모멘트는 분리형기초에서 큰 폭으로 감소함(그림 19)

- Hachinohe(장주기파) 및 Ofunato(단주기파), 콘크리트 말뚝 및 강관말뚝 모두의 케이스에서 전반적으로 비슷한 경향을 보였음

원심모형실험결과, 분리형 기초가 지진 시 상태 및 정적인 상태에서 모두 말뚝지지전면기초 대비 말뚝체, 기초판, 상부구조물에 작용하는 수평하중이 감소하는 것으로 나타났고, 연직하중 작용 시 지지 성능 및 침하 발생량은 크게 차이가 없는 것으로 나타났다. 이를 통해, 강진 지역과 같이 수평력이 크게 발생하는 지역에서 분리형기초를 적용할 경우, 구조물 및 말뚝에 작용하는 수평력을 크게 감소시켜, 보다 경제적인 설계가 가능한 것을 알 수 있었다.

참고문헌

1. AFPS 2012. Procédés d'amélioration et de renforcement de sols sous actions sismiques. Presses des Pont.

2. ASIRI 2012. Recommendations for design, construction and control of foundation over soils reinforced by rigid in clusions, Presses des Ponts.

3. Boramy Hor et al.,” Ground improvement using rigid inclusion for the foundation of LNG tanks”, Proceedings of the 19th ICSMGE, Seoul 2017

4. Charles Bernuy et al., “LNG tanks on rigid inclusions-Kuwait”, GeoMEast - Egypt, 2018.

5. Heon-Joon Park et al., “Centrifuge modeling of disconnected piled raft using vertical pushover tests”, Acta Geotechnica. 20 February, 2020.

6. Kil-Wan Ko et al., “Evaluation of dynamic bending moment of disconnected piled raft via centrifuge tests”, Canadian Geotech. J. Vol.56, 2019.

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]

[알쓸터공·알아두면 쓸모있는 터널공학이야기]

숫자와 그림으로 보는 대심도 지하 터널

Deep Underground Tunnel and Tunnelling

[대심도 터널 Deep Tunnel]은 기존의 일반 심도에 건설된 지하인프라 하부를 개발하기 위하여 도입된 개념인 [대심도 지하 Deep Underground]에 만들어지는 터널을 의미한다. 현재는 도심지를 통과하는 대부분의 지하프로젝트가 대심도 터널로 계획되고 있으며, 대심도 터널은 도심지 터널공사에서 적용되는 가장 핵심적이고 뜨거운 이슈가 되었다. 표 1에는 대심도 터널 기술의 특성과 기술 트랜드를 핵심 키워드로 정리하였다. 본 고에서는 10가지 핵심 키워드를 중심으로 대심도 터널 기술의 주요 특징과 변화 트랜드에 대하여 기술하였다.

1.  대심도 지하(Deep Underground)  

1.1 대심도 지하란?

대심도란 일반적으로 토지소유자에 의해 통상적으로 이용되지 않는 지하공간으로써, 용지보상 및 재산권 설정을 하지 않아도 되는 깊이(한계심도 이하 깊이)를 의미한다. 즉 토지소유자가 이용하지 않거나 활용하지 못하는 지하 깊숙한 곳으로 지하시설물을 설치해도 토지이용에 지장이 없는 곳을 한계심도라 하는데, 일본에서는 한계심도 개념을 포함하여 ‘대심도’라는 용어를 사용한다. 일본에서 지하공간의 소유권과 이용권에 관련된 한계심도를 기반으로 대심도의 정의를 내린 주된 목적은 통상 이용되지 않는 깊은 심도의 지하공간을 공익사업을 위해 개발할 때 토지소유자의 동의나 보상없이 개발·이용할 수 있는 논거를 마련하기 위한 것으로 판단할 수 있다.

국내는 통상적으로 지하철 건설의 하한선인 지하 40m이상의 지하공간을 의미하는 말로 ‘대심도’라는 용어를 사용하고 있으나 대심도에 대한 명확한 정의는 마련되어 있지 않다. 서울시는‘서울특별시 도시철도의 건설을 위한 지하부분 토지사용에 따른 보상기준에 대한 조례’에서 토지소유자의 통상적 이용행위가 예상되지 않으며 지하시설물 설치로 인해 일반적인 토지이용에 지장이 없는 것으로 판단되는 깊이를‘한계심도’라 정의하고 고층시가지는 40m, 중층시가지는 35m, 농지·임지는 20m깊이로 들어가면 한계심도로 규정하여 이를 초과하여 개발하는 겨우 초과분에 대해 최소한의 보상을 하도록 규정하고 있다.

1.2 일본에서의 대심도 지하  

일본에서의 ‘대심도 지하’란 2001년에 시행된 ‘대심도 지하의 공공적 사용에 관한 특별조치법’(통칭: 대심도법)에 의한 지하이용의 신개념이다. 대심도법서 대심도 지하의 정의는 다음 ① 또는 ② 중 어느 하나 깊은 쪽 깊이의 지하이다.

① 지하실 건설을 위한 이용이 통상적으로 이루어지지 않는 깊이(지하 40m 이상)

② 건축물 기초 설치를 위한 이용이 통상적으로 이루어지지 않는 깊이(지지지반 상면에서 10m 이상)

대심도 개념은 1980년대 버블 경기를 정점으로 지가 급등시에 고안된 것으로, 통상 이용되지 않는 심도의 지하공간을 공공용으로 이용할 수 있도록 하고, 도시 형성에 필수적인  도심지 터널이나 공동구 등의 건설을 촉진시키기 위해 법제화되었다. 환기 및 재해시 안전성 확보 등 기술적인 문제와 건설비용 문제도 있어 대심도 지하를 사용한 사업은 2000년대 후반부터 구체화되었다. 대심도법의 대상이 되는 지역에 있어서의 공공 사용의 경우는 원칙적으로 보상이 불필요하나 기존 물건이 있거나 실제로 손실이 발생한 경우에는 보상을 하기도 한다. 

2.  대심도 터널(Deep Tunnel)

2.1 대심도 터널이란?  

대심도 터널은 대심도 지하에 설치되는 터널을 말한다. 일반적으로 대심도 지하개발은  지상개발이 상당히 진행되어 개발공간이 부족하고, 지하에 다양한 지하시설물이 설치되어 있어 보다 깊은 심도에서의 지하개발이 요구되는 도심지 구간에서 이슈가 되기 때문에 대심도 터널은 도심지 대심도 터널 또는 대심도 도심지 터널을 의미하게 된다. 대심도 터널이라고는 하지만 특별한 터널공법이 요구되는 것은 아니며 일반적으로 적용되는 NATM 공법 또는 TBM 공법으로 시공이 가능하지만, 터널공법선정시 도심지 구간이라는 특수성을 충분히 고려하여야 한다. 

일본의 경우 특별히 단단한 암반이 아니라면 통상의 쉴드(Shield)터널 공법으로 시공할 수 있으며, 대심도 터널시공시 지상의 빌딩과 건축물에 대한 영향에 대해서는 2001년 6월에 국토교통성이 기술지침·해설을 정리하여 가이드라인 제시한 바 있다. 지하 40m 이하에 대심도 터널을 계획하고 대심도 지하공간과 도로  및 지하철 등과 같은 지하교통인프라에 대한 입체적 범위를 고려하고 있다. 또한 도쿄 지하철 오에도선과 도쿄 지하철 난보쿠선 등과 같은 도심지 지하철에서 최대 지하심도가 40m가 넘은 대심도 터널이 시공되어 운영되고 있다. 

2.2 해외의 대심도 터널  

싱가포르에서는 도심지 공간부족문제를 해결하기 위하여 지하공간개발을 중점적으로 검토하여 2019년 지하공간개발에 대한 마스터플랜을 수립하였고, 지하개발시의 토지소유권 문제를 해소하기 위하여 관련법을 개정하여 지하 30m이하에서의 지하소유권을 제한하도록 하여 대심도 지하개발을 적극적으로 장려하고 있다. 특히 지하개발시 지하심도별 지하시설물에 대한 계획(Vertical planning of underground space)을 제시하여 지하공간개발을 관리하도록 하고 있다. 

일본에서는 대심도 지하에 대심도 터널을 개발하려는 다양한 계획이 수립되고 대심도 터널과 대심도 지하개발을 적극적으로 활성화하고 있다. 

3.  대심도법과 대심도 지하개발(Underground Development)

3.1 일본의 대심도법  

대도시에서는 하수도 정비에 의한 도시의 위생 환경의 향상이 이루어지고, 수도, 전기, 가스라고 하는 라이프 라인의 지하화, 도시의 활동을 지원하는 지하철이나 지하가 정비되는 등 지하이용에 의한 생활 편리성의 향상이 도모되어 왔다. 최근에는 이와 더불어 수해나 지진에 대한 안전대책, 지상의 자연환경이나 경관보전대책으로서의 지하이용 등 안전하고 쾌적한 생활공간의 재생을 위해서 지하공간의 활용이 진행되고 있다. 

대심도법이 국회에서 제정된 것은 2000년 5월 26일, 시행된 것은 2001년 4월 1일부터였다. 제정에 앞서 1995년 11월 총리부에 ‘임시 대심도 지하이용조사회’가 설치되었다. 대심도 법의 목적은 공공의 이익이 되는 사업에 의한 대심도 지하의 사용에 관하여 그 요건, 절차 등에 관하여 특별한 조치를 강구함으로써 해당 사업의 원활한 수행과 대심도 지하의 적정하고 합리적인 이용을 도모하는 것이다. 대심도법을 간단히 정리하면 다음과 같은 내용의 법률이다. 

▶법 - ‘대심도 지하의 공공적 사용에 관한 특별조치법’

▶시행령 - ‘대심도 지하의 공공적 사용에 관한 특별조치법 시행령’ 

대심도법에서는 사전에 보상을 실시하지 않고 대심도 지하에 사용권을 설정할 수 있도록 하였으며, 보상이 필요하다고 생각하는 토지 소유자로부터의 청구를 기다려 보상을 실시한다.

3.2 해외 대심도 지하개발  

홍콩은 1980년대부터 토지 공급을 보완하기 위해 지하공간을 개발해 왔으며, 지하 암반 캐븐 계획과 개발에서 진전을 이루었으며, 잠재적인 장소와 용도를 식별하기 위한 지하암반 캐븐 마스터플랜을 작성했다. 

싱가포르에서는 지하공간 개발에 있어 더 적극적이고 전략적으로 추진하였으며 대심도 지하공간개발은 명확하고 투명한 계획 및 개발 프레임워크를 제공하기 위한 입법 개정과 선택된 구역의 지하지도 작성으로 나타난다. 또한 지하 소유권의 범위를 규정하여 지상토지 소유자는 30m 깊이까지만 지하공간을 사용할 수 있다.

헬싱키에서 지하개발마스터플랜(UMP)는 대규모 지하공간 시설의 공간 할당을 통제함으로써 질서 있고 조정된 계획과 개발에 기여했다. 지하 소유권의 범위를 규정하여 실제로 토지 소유자는 6m 깊이까지 지하공간을 사용할 수 있다. 

싱가포르에서는 2019년 지하공간개발 마스터 플랜을 수립하고 대심도 지하공간을 활용한 다양한 대심도 터널 프로젝트를 계획 또는 시공중에 있다.   

4. 대심도 지하의 특성

■  대심도 지하이용에 따른 비용

대심도 지하이용에 의해 지상이나 얕은 지하이용에 비해 수직구 굴착, 터널공사 비용은 일부 증가하지만 노선을 직선화함으로써 건설비용을 절감할 수 있을 것으로 검토되었다. 대심도 지하이용에 의한 노선의 직선화와 이에 따른 대심도 지하 공사비용이 천부심도 공사비용의 0.91로 약 9%를 절감되는 것으로 분석되었다.

■  지진에 대한 안전성

일반적으로 지진시의 흔들림은 지하 심도가 깊어질수록 작아지는 경향이 있다. 대심도 지하공간에서의 흔들림은 지상의 몇 분의 1 이하로 알려져 있어 지진에 대한 안전성이 높은 공간이라고 할 수 있다. 일본 국토기술정책총합연구소에서 수행한 대심도 지하의 지진 안전성을 분석한 결과로 대심도 지하(지하 51m)의 가속도가 천부심도(지하 20m)에 비해 상당히 감소하는 것을 확인할 수 있다.

■  대심도 지하의 지하수에 미치는 영향

대심도 지하의 피압지하수는 거의 유동하지 않기 때문에 대심도 지하에 구조물을 만들었다고 해도 지하수의 흐름을 막는 등의 영향을 미치는 경우는 거의 없다고 생각되지만 사업 실시에 있어서는 신중하게 대응할 필요가 있다. 또한 대심도 터널 굴착시 지하수의 수질보전, 지하수의 유동장애의 방지, 지하수위·수압저하에 의한 지반침하의 방지의 환경영향을 최소화할 수 있다.  

■  대심도 지하이용의 장점

대심도 지하 사용법에는 다음과 같은 장점이 있다.

▶대심도 지하는 통상 사전 보상 없이 사용권 설정이 가능하므로 그동안 사업화가 어려웠던 도시지역 사업 실현, 사업기간 단축, 계획적 사업 실시가 가능하다. 상하수도, 전기, 가스, 전기통신과 같은 생활 밀착형 라이프라인과 지하철, 지하하천 등 공공이익 사업을 원활하게 수행할 수 있게 된다.

▶도로 아래 등에 시공하는 제약이 없어져 선형이 합리화됨으로써 비용 절감을 도모할 수 있다. 또한 합리적인 루트 설정이 가능해져 사업기간 단축, 공사비 절감에도 기여할 것으로 전망된다. 

▶대심도 지하는 지표나 얕은 지하에 비해 안전하며 소음·진동 감소, 경관 보전에도 도움이 된다. 특히 지진의 영향을 잘 받지 않으므로 라이프라인 등의 안전성 향상에 기여할 수 있다. 

▶대심도 지하의 무질서한 개발을 막을 수 있다.

5. 대심도 터널 안전성(Safety Effect of Deep Tunnel)

5.1 대심도화에 따른 암반 특성평가

터널이 대심도화 될수록 고려해야 할 사항 중 첫 번째는 바로 안전성과 직결되는 지반 또는 암반 조건이다. 일반적으로 암반 조건은 지표면으로부터 심도 20~30m 위치에서 암반이 조기 출현하고, 더 깊은 심도로 갈수록 양호한 암반이 출현하는 특성을 보인다. 이에 따라 터널이 대심도화(40m 이상)화 함에 따라 암반상태가 양호하게 되며, 이는 터널자체의 안전성 확보뿐만 아니라 터널 굴착에 의한 주변 영향도 적어져 안전성 측면에서 매우 유리하다는 것을 의미한다. 서울시 지층 단면을 추정한 결과, 서울지역에서 대심도 터널이 위치하는 지층은 연암 이상의 양호한 암반이며 이는 대심도 터널 건설이 안전성 측면에서 일반 심도의 터널 건설보다 유리한 조건을 나타냄을 확인할 수 있다.

일반 심도와 대심도 터널에서 지질 및 암반상태가 안전성에 미치는 영향을 비교 평가하여 표 2에 정리하여 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 대심도화 할수록 암반상태가 양호해지며 안전성에 유리하다는 것을 알 수 있다. 

5.2 대심도화에 따른 안정성 평가

대심도 터널에 대한 해석결과, 지반 안전성에 대한 영향은 대심도 조건 보다 일반심도 조건인 경우가 크게 나타났다. 일반심도와 대심도의 지반침하량을 비교했을 때 일반심도에서의 지반침하량이 더욱 크다는 점을 확인할 수 있었다. 또한  일반심도와 대심도의 등변위량을 비교했을 때 동일변위조건에서 일반심도에서의 영향면적이 훨씬 커지는 것을 확인할 수 있었으며. 연직변위와 굴착영향범위내 침하량을 비교 검토한 결과 유사한 경향을 나타내었음을 확인할 수 있었다.  

따라서 도심지 터널 시공시 일반심도 대비 대심도 터널이 지반에 미치는 영향이 적게 나타나 지반 안전성이 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 대심도 도심지 터널이 일반심도 터널보다 안전성 측면에서 매우 유리하다는 것을 보여준다. 

6. 대심도 터널 환경성(Environment Effect of Deep Tunnel) 

6.1 발파진동 및 소음 환경문제

설계 단계와 시공중에 대심도 도심지 터널굴착을 위한 발파 시에는 주변 보안물건에 대해 안전할 뿐만 아니라 환경분쟁조정위원회에서 중재하고 있는 분쟁해소 사례 등 조건을 만족하며 굴착할 수 있는 공법 적용이 필수적이라 할 수 있다. 

터널을 굴착하기 위해서 수행되는 발파(drill and blasting)는 1자유면 발파이기 때문에 심발부 발파가 선행되어야 하며, 암반상태에 따라 발파당 굴진장을 다양하게 달리할 수 있다. 터널발파는 암반상태에 따라 장약량을 달리하는 발파패턴을 적용하고, 주변에 보안물건(건물 및 축사 등)에  따라 장약량을 조절하고 조절발파(controlled blasting)를 실시하여야 한다.  

발파굴착은 필연적으로 진동과 소음을 발생하게 되고, 이에 따라 민원 및 환경 문제 등이 발생하는 경우가 많으므로 이에 대한 적절한 대책(진동제어발파 및 미진동/무진동 공법 적용)을 반영하여야 한다. 터널이 대심도화함에 따라 터널과 보안물건이 거리가 증가하여 상대적으로 발파진동에 안전하다고 할 수 있다.  

6.2 대심도 터널의 환경성 평가

도심지 터널의 대심도화에 따른 발파진동의 영향을 평가한 결과, 일반심도인 30m 보다 터널심도가 깊어질수록 발파진동은 현저히 감소됨을 확인 할 수 있다. 지표를 기준으로 했을 때, 터널심도가 60m인 경우에 일반심도인 30m의 발파진동 수준에 비해 보다 35%이하로 저감되는 것으로 분석되었다.  

발파진동 영향 평가결과, 예측된 발파진동의 평가결과는 터널심도가 증가함에 따라 지표에서의 발파 진동이 감소함을 확인할 수 있다. 이상의 발파진동 평가로부터 도심지 터널이 대심도화 함에 따라 발파진동에 의한 영향은 더욱 감소하는 것으로 나타났다. 이는  지상의 보안물건과의 거리가 증가함에 따라 나타나는 것으로 대심도 도심지 터널이 일반심도 터널에 비해 환경성 영향이 감소하는 것임을 확인 할 수 있다.

7. 대심도 지하도로 터널(Deep Underground Roadway Tunnel)

7.1 국내 대심도 지하도로 사례

국내 대심도 지하도로 프로젝트의 대표적인 예가 만덕 센텀 및 사상∼해운대 지하도로이다. 사상~해운대 고속도로는 부산 서부의 남해고속도로 제2지선과 동부의 동해고속도로(부산~울산)를 연결하는 22.8km 대심도 지하도로다. 현재 공사 중인 만덕~센텀(9.62km) 구간에 이어 부산에서 두 번째 대심도 도로이다. 

7.2 호주 대심도 지하도로 사례

호주 대심도 지하도로 프로젝트의 대표적인 예가 NorthConnex 및 WestConnex 지하도로이다. WestConnex 지하도로는 호주 시드니에 위치한 총 길이 33km의 지하 고속도로이다. 2023년 현재, 부분적으로 완공되었으며, 부분적으로 여전히 공사 중이다. 이 고속도로 계획은 시드니 도심지역과 이너웨스트 교외 지역을 관통하는 약 26km의 새로운 터널을 건설하고 있다. 

7.3 일본 대심도 지하도로 사례

대심도 지하도로 프로젝트의 한 예가 도쿄 외곽순환도로이다. 본 공사는 도심에서 약 16km를 환상으로 연락하는 전체 길이 약 85km의 고규격 간선도로로 수도권 정체 완화, 환경 개선 및 원활한 교통 네트워크 실현에 중요한 도로이다. 도쿄외곽순환도로는 수도권에서의 고속도로 계획 3순환 9방사 중 하나이며, 수도고속중앙순환선, 수도권중앙연락자동차도와 합쳐 수도권 3순환도로로 통칭되는 도교 도심외곽의 환상도로(Tokyo Ring Road)이다.  

본 프로젝트는 3개의 JCT와 3개의 출입구로 구성되어 있다. 또한 지하도로구간은 지하 40m 이하의 대심도 터널로 계획하였으며, 일본 최대 직경 16.1m의 대단면 쉴드 TBM이 적용되었다. 또한 본 터널공사는 도심지 구간의 대심도 지하에 건설되는 대구경 터널공사로서 안전성 확보가 가장 중요한 이슈이다. 

8. 대심도 지하철도 터널(Deep Underground Railway Tunnel)

8.1 국내 대심도 지하철도 사례

수도권 광역급행철도(GTX)는 수도권의 교통난 해소와 장거리 통근자들의 교통복지 증진을 위해 수도권 외곽에서 서울 도심 주요 3개 거점역인 서울역·청량리역·삼성역을 방사형으로 교차, 30분대에 연결하는 것을 목표로 계획 중인 광역급행철도이다. GTX-A 노선, B노선, C노선, D노선  총 4개 노선이 계획되어 있으며, GTX-A 노선이 현재 시공중에 있다.  

8.2 영국 대심도 지하철도 사례

영국의 Crossrail(엘리자베스 라인)은 현재 남동 잉글랜드에 건설중인 총연장 118 km의 철도 프로젝트로 런던을 중심을 지하터널로 통과한다. 이 노선은 버크셔에서 그레이터 런던을 통해 에섹스로 이어지며, 42 km의 터널 구간이 포함된다. 본 프로젝트는 TBM과 NATM 터널공법으로 2009년에 공사가 시작되었다.

8.3 일본 대심도 지하철도 사례

대심도 지하철도 프로젝트의 한 예가 리니어 중앙신칸센이다. 본 공사는 시속 500km로 달릴 수 있는 초전도 자기부상식(리니어 방식)을 채택해 도쿄-신오사카 간을 최고 속도로 40분 만에 연결하는 신칸센으로 JR 동해가 건설하고 도쿄-나고야 간은 2027년, 도쿄-신오사카 간은 최소 2037년에 개통할 전망이다. 본 프로젝트는 대부분의 구간을 대심도 터널로 계획한 프로젝트이다. 

리니어 중앙 신칸센은 대부분의 노선이 대심도 지하의 직경 14m의 대심도 터널로 계획되었으며, 수직구를 이용하여 쉴드 머신을 설치한 후 쉴드 TBM 터널공사를 시작하였다. 2021년 10월 쉴드 머진  발진작업에 착수, 지상에 미치는 영향과 공정을 검증하기 위해 약 300m 구간을 시험 굴진하였으며, 도심지 터널공사에서 발생한 함몰사고 등에 따른 대응으로 검증 결과를 주민들에게 공개하고 대심도 공사에 대한 불안 해소를 도모하였다. 

9. 대심도 지하유틸리티 터널(Deep Underground Utility Tunnel)

9.1 국내 대심도 지하유틸리티 터널 사례

대심도 지하유틸리티 터널의 한 예가 신월 빗물저류배수시설 공사이다. 본 공사는 국내 최초 터녈형 지하 저류배수시설로, 지하 50m에 직경 10m의 대심도 터널을 파 설치한 빗물저장시설이다. 양천구 신월1동에서 양천구 목동빗물펌프장까지 저류배수터널(연장 3.6km)과 유도터널(연장1.1km)이 2개소, 수직구 6개소가 설치됐다. 2013년 5월 첫 삽을 뜨기 시작해 만 7년 만인 2020년 5월 공사를 끝냈다.

9.2 싱가포르 대심도 지하유틸리티 터널 사례

싱가포르 케이블 터널 건설공사는 지하에 400kV의 고압전기 케이블 등 송전설비 설치를 위한 터널을 건설하는 지하공사이다. 본 전력구는 총연장 35km의 터널로서 18.5km의 North-South Line의 3개 공구(NS1, NS2, NS3)와 16.5km의 East-West Line의 3개 공구 (EW1, EW2, EW3)로 나누어 주로 TBM 터널공법으로 건설되었다.

9.3 일본 대심도 지하유틸리티 터널 사례

대심도 지하유틸리티 터널의 한 예가 도쿄 수도권 외곽 방수로 공사이다. 본 공사는 수도권에서 수해를 경감하는 것을 목적으로 한 치수시설(조정지)로서 사이타마현 가스카베시의 가미카네자키지에서 오부치에 걸친 연장 약 6.3㎞로 국도 16호 직하부 약 50m 지점에 설치된 세계 최대급의 지하 방수로이다. 본 시스템은 구성은 먼저 각 하천에서 홍수를 수용하는 유입시설과 수직구, 홍수를 흘리는 지하하천인 터널, 그리고 지하공간에서 물의 기세를 약화시켜 원활한 흐름을 확보하는 조압수조, 지하에서 홍수를 배수하는 배수기장 등으로 구성되어 있다.

본 터널공사에는 슬러리 쉴드 TBM 공법(터널 내공 10.6m)을 적용하였으며, 지하 50m에서 시공이 이루어 졌다. 또한 내수압을 받는 터널의 특성을 고려하여 내수압 대응의 가능하고 유수에 대응할 수 있는 세그먼트를 적용하였다. 

10. 대심도 지하공간(Deep Underground Space)

10.1 국내 대심도 지하공간 사례

국내 대표적인 지하공간 개발사업인 영동대로 지하공간 복합개발은 삼성역에서 봉은사역까지 폭 63m, 길이 600m, 시설면적 22.4만㎡의 규모로 통합역사(GTX, 위례신사선), 버스환승정류장, 공공 및 상업시설, 지하주차장의 시설이 들어서는 국내 지하공간 개발역사상 최대 규모로 진행되는 광역복합환승센터이다.  

본 프로젝트는 지하 4~7층 사이에는 5개의 철도 노선 및 환승 공간이 들어서고 지하 2, 3층에는 공공 상업 공간으로 조성하며 기존 도로는 지하1층으로 지하화하고 그 지상에 녹지 광장을 설립한다. 총 사업비는 기본 계획 기준으로 1조 759억 원이고 사업은 2015년에 시작했다. 착공은 2021년 6월 30일에 했으며 2028년 4월경에 완공할 예정이다. 철도는 GTX-A, GTX-C, 위례~신사 경전철이 들어서게 된다. 또한 영동대로를 확장 또는 지하화하는 사업도 병행된다.

10.2  해외 대심도 지하공간 사례

도시가 성장함에 따라 천층 지하의 많은 용도는 시간이 지남에 따라 변화되어 왔으며, 이러한 용도에는 건물 기초와 지하실 및 광범위한 케이블 네트워크가 포함된다. 유틸리티 및 운송 서비스를 담당하는 지하 터널은 일반적으로 개별 프로젝트 선택으로 취급되지만, 이러한 시설에 대한 설계결정은 향후 필요에 따라 지하공간을 사용할 수 있는 능력에 영향을 미친다.

핀란드 헬싱키에서는 지하 공간을 활용해 데이터 저장센터를 찾는 프로젝트가 진행 중이다. 인터넷과 "클라우드" 컴퓨팅의 사용이 증가함에 따라 스토리지 센터의 필요성도 커지고 있습니다. 이 센터를 지하에 배치하면 냉각에 필요한 에너지가 절약되고 회수된 에너지가 겨울 동안 1,000개의 주택을 데울 수 있다.

말레이시아 쿠알라룸푸르에는 비가 많이 오는 동안 도시가 홍수를 막기 위해 큰 빗물 하수도로 계획되었던 것이 이제는 주요 홍수 사건 때를 제외하고 교통 혼잡을 완화하기 위해 이용할 수 있는 노선의 일부를 따라 도로 터널을 포함한다. 지하공간의 지속가능한 개발은 단순히 지하공간을 이용하는 것이 아니라, 기능을 결합하고 사회를 위해 가치를 창출하기 위해 사용하는 것을 요구한다.   

■  대심도 지하와 대심도 터널

현재 도심지 터널공사는 지상보상권 문제 등을 최소화하기 위하여 기존 일반심도 30m 하부인 지하 40m 이하인 대심도 지하에 계획 또는 건설되고 있다. 따라서 이러한 대심도 터널이 가지는 특성을 반영한 도심지 지하인프라 개발과 대심도 터널 평가방법이 요구되고 있다. [대심도] 라는 단어에 대하여 터널 기술자들의 관점에서 벗어나 발주처 및 일반 민원인들의 관점에서 접근하여 대심도 가지는 공학적 특성뿐만 아니라 환경영향 및 사회민원 영향에 대한 통합적이고 적극적인 대응이 필요함을 확인할 수 있다. 

최근 도심지 대심도 터널프로젝트에 대한 지하안전영향가가 수행되어 왔지만, 대심도라는 특성을 보다 효율적으로 반영하고자 하는 노력이 부족한 것이 사실이다. 대심도 터널에 대한 공학적 대책은 대심도라는 터널 특성을 반영하는 것이 매우 중요하며, 구축과정에서의 제반 문제점에 대한 개선을 통하여 대심도 터널이 가지는 안전성과 환경성 영향이 우수하다는 점을 정확히 인식하여야만 한다. 

대심도 터널링(Deep Tunnelling)은 도심지 지하터널프로젝트에서 핵심 키워드가 되었다. 하지만 대심도가 가지는 많은 장점에도 불구하고 아직도 이에 대한 제대로 된 공학적 설명과 평가에 대한 준비가 부족하였다고 생각한다. 한마디로 요약하면 대심도화됨에 따라 터널은 더욱 안전해지고 지상에 미치는 제반 영향은 더욱 줄어든다는 것이다. 이를 한마디로 표현하면 다음과 같다. 

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]