서울지하철 909 공구 산학협동연구 최종보고

1. 서울지하철 909공구 산학협동연구 최종보고 2008. 11. 12 성균관대학교 지반연구실 교 수 유 충 식 www.geoskku.net

2. 현장개요 및 공사현황 • 현장위치도

3. 1 2 3 4 6 7 5 목 차 계측자료 분석 역해석을 이용한 설계지반 정수 평가 여의하류 IC 구간 안정성 평가 중점관리구간 지표침하 평가 세그먼트 응력 검토를 통한 라이닝 안전성 평가 지표침하 정밀계측 제고를 위한 개선방안 종합결론

4. 1,195m 612m 현장개요 및 공사현황 • 쉴드터널 구간 C 갱 B 갱 A 갱 D 갱

5. 현장개요 • 쉴드공법 개요 • 공 법 : 이수가압식 (Slurry Shield) • 터널연장 : 1,807m x 2열 = 3,614m 단선병렬 - A,B TUNNEL : 612m • - C,D TUNNEL : 1,195m • 터널단면 : 내경 Φ6,750mm,외경 Φ 7,450mm

6. 현장 개요 • 쉴드터널 지층구조

7. 계측자료 분석을 통한 시공관리- A갱을 중심으로

8. A갱 계측자료 분석 • 계측기 설치현황 A Type K Type B Type

9. A갱 계측자료 분석 • 종추력 및 커터토크 경시 변화 최대치: 3000 ton 최대치: 370 ton- m

10. A갱 계측자료 분석 • 천단침하/ 내공변위 (STA.16k860 - 상행) • 세그먼트 설치 후 토압 으로 변위 발생 • 변위크기 허용치 이내 최대 내공변위: 1 mm 최대 천단침하: 5mm

11. A갱 계측자료 분석 • 천단침하/ 내공변위 (STA.16k860 - 하행) 최대 내공변위: 1 mm 최대 천단침하: 5mm

12. A갱 계측자료 분석 • 천단침하/ 내공변위 (STA.16k740 - 상행) 최대 내공변위: 2 mm 최대 천단침하: 2mm

13. A갱 계측자료 분석 • 천단침하/ 내공변위 (STA.16k740 - 하행) • 세그먼트 설치 후 토압 으로 변위 발생 • 천단침하 8 mm 발생 최대 내공변위: 1 mm 최대 천단침하: 8mm

14. A갱 계측자료 분석 • 천단침하/ 내공변위 (STA.16k640 - 상행) 최대 내공변위: 2 mm 최대 천단침하: 2mm

15. A갱 계측자료 분석 • 천단침하/ 내공변위 (STA.16k640 - 하행) 최대 내공변위: 2 mm 최대 천단침하: 1mm

16. A갱 계측자료 분석 • 세그먼트 응력 (STA.16k580 - 상행) • 세그먼트 설치 후 토압 으로인한 응력 증가 후 수렴 • 좌우측 비 대칭 최대응력 70 kg/cm2 • 우측 어깨부에서 허용치 이하의 최대응력 발생

17. A갱 계측자료 분석 • 세그먼트 응력 (STA.16k670) • 세그먼트 설치 후 토압 으로인한 응력 증가 후 수렴 • 좌우측 비 대칭 • 좌측 어깨부에서 허용치 이하의 최대응력 발생 최대응력 70 kg/cm2

18. A갱 계측자료 분석 • 세그먼트 응력 (STA.16k760) • 세그먼트 설치 후 토압 으로인한 응력 증가 후 수렴 • 좌우측 비 대칭 • 좌측 어깨부에서 허용치 이하의 최대응력 발생 최대응력 50 kg/cm2

19. A갱 계측자료 분석 • 지표침하 (STA.16k460) • 지표침하량 미미 • 침하보다는 상향변위 (히빙)이 발생하는 경향 • 침하계 설치방법 개선의 필요성 대두

20. A갱 계측자료 분석 • 지표침하 (STA.16k460) • 지표침하량 미미 • 이수가압으로 인한 초기 히빙 후 침하발생 경향

21. A갱 계측자료 분석 • 지하수위저하 (STA.16k400) • 지하수위 저하량 < 5m • 쉴드구간 지하수위 저하 미미

22. 1 2 3 4 계측자료 평가를 통한 시공관리 계측자료 분석 및 피드백 실시 천단 및 내공변위 팡가를 통한 세그먼트 안정성 관리 라이닝 응력 평가를 위한 장기 안정성 검토 현장 시공관리의 적정성 확인

23. 역해석을 이용한 설계지반정수 평가

24. 대표단면 역해석 • 역해석 목적 • 당초설계시 선정한 지반정수 재평가 • 계측항목 및 방법의 타당성 평가 • 역해석 단면 • A갱 국회앞 지하차도 시작 직전 구간을 대표단면으로 선정

25. 구분 모래층 1.8 0.6 29 1000 0.35 모래자갈층 1.9 0.0 35 5000 0.3 풍화토 1.9 0.7 35 2700 0.3 풍화암 2.0 2.0 35 19000 0.3 대표단면 역해석 • 해석 프로그램 • 구조/지반 범용 유한요소해석 프로그램 ABAQUS ver. 6.4-2 • 해석 단면도 및 유한요소망 모래 5 m 15 m 모래 자갈 풍화토 풍화암

26. 대표단면 역해석 • 해석결과 (최종변위) • 천단변위: 2.6 cm • 내공변위: 1.8 cm • 지표침하: 1 cm • 해석결과 (라이닝변위) • 내공변위 (우): 4 mm • 천단변위(우): 5 mm • 내공변위 (좌): 2 mm • 천단변위(좌): 1 mm

27. 대표단면 역해석 • 해석결과 분석 • 우측터널(상행)에서의 변위가 크게 발생 • 좌우측 터널 변위 발생 유형 차이 • 계측 변위와의 비교 (지하차도/보도부) • 내공변위 (우): 1 mm • 천단변위(우): 8 mm • 내공변위 (좌): 2 mm • 천단변위(좌): 2 mm • 해석치와 계측치가 오차 범위 이내로 유사한 것으로 평가됨

28. 대표단면 역해석 • 해석 결과 (라이닝 응력) • 최대인장응력: 14 kg/cm2 (천단부) • 최대압축응력: 83 kg/cm2 (측벽부) • 계측 결과 (라이닝 응력) • 최대압축응력: 70 kg/cm2 (측벽부) • 해석치와 계측치가 오차 범위 이내로 유사한 것으로 평가됨

29. 대표단면 역해석 • 평가결과 • 설계시 적용된 지반정수를 이용한 해석 결과가 계측치와 오차범위 이내로 나타나 설계시 적용한 지반정수는 타당한 것으로 평가됨 • 계측결과 역해석을 통한 설계정수 타당성 확인 과정을 통한 정보화 시공관리 수행 • 향후 지하철 터널 시공시 역해석 및 피드백의 보다 적극적인 활용 방안 강구 필요

30. 여의하류 IC구간 안정성 평가

31. 여의하류 IC 구간 개요1 검토구간 • 현장 현황 및 쉴드터널 구간 개요 • 구 간 : 당산~국회 앞~여의도역 구간 중 여의하류 I.C 교량하부 • 충적층 지반으로 구성 • C갱 및 D갱 굴진시 구조물안정성 확보 여부 검토 필요성 대두

32. 여의하류 IC 구간 개요2 지반 및 터널조건 • 지층조건 : 상부 매립층, 굴착부는 실트질 모래 또는 풍화토로 구성됨 • 터널은 여의하류 IC 교량 교대의 강관파일과 우물통 기초 교각 • 사이를 통과 • 터널과 교량 기초간 이격거리: 0.5~0.6m

33. 3D 해석을 통한 안정성 검토 대상 구조물 모델링 • 3차원 유한요소 모델: 교대 및 우물통 기초를 개별적으로 모델링 • 상부 매립층, 구조물은 하중으로 작용하도록 모델링

34. 3D 해석을 통한 안정성 검토 3D 모델링 • 사용프로그램 : ABAQUS • 파일 및 기초 모델링 : Solid 요소, 탄성모델 적용, 상부교량하중 산정 적용

35. 3D 해석을 통한 안정성 검토 쉴드터널 굴진 모델링 • 쉴드 터널시공시 지반손실 요소를 • 고려한 현실적인 모델링 수행 • 최대변위 20mm, 40mm 발생시 • 구조물 안정성 여부확보 검토

36. 3D 해석을 통한 안정성 검토 쉴드터널 모델링2 <쉴드터널 굴진에 따른 토압변화> <쉴드본체의 추진 및 터널주변 변위발생양상>

37. 결과 및 고찰- 지표침하 횡단면 지표침하 • 전반적으로 C갱 굴착시 지반이완으로 D갱 굴진에 따른 영향이 증폭되는 경향을 보임 • 교량의 허용변위를 고려할 때 터널굴진시 허용내공변위를 20mm 이하로 유지함이 바람직한 것으로 검토됨 C갱 완료시 D갱 완료시 C갱 완료시 D갱 완료시 C갱 D갱 C갱 D갱 Case B: 내공변위 40mm Case A: 내공변위 20mm

38. 결과 및 고찰- 교량구조물 중점검토사항 • 교대 말뚝기초 변위 및 축하중 • 우물통 기초의 각변위 D갱 C갱

39. 결과 및 고찰-교대 및 우물통 하부구조 변위발생 경향 • 터널굴진에 따른 지반 • 변형으로 인해 파일 및 • 우물통 기초의 휨 변형 및 • 회전(rotation) 발생 • C갱굴진 교대말뚝 침하 • 및 휨 변형, 우물통 회전 • D갱굴진 좌측 우물통 • 추가 침하 및 우측 우물통 • 회전 유발 C갱 D갱

40. 결과 및 고찰-교대파일 거동 교대파일 침하 • 좌측 교대파일: C갱 굴진시 대부분의 침하가 발생 • 파일 최대 침하: 터널내공변위량에 따라 8~16mm 범위에서 발생 • 구조물 안정성에 큰 문제가 없는 것으로 검토됨 C갱 C갱 Case B: 내공변위 40mm Case A: 내공변위 20mm

41. 결과 및 고찰 –구조물 안정성 파일 선단하중 및 축하중 변화 • 터널굴진으로 인해 파일선단 하중이 증가하며 증가량은 터널 내공변위에 따라 150 ~ 260kN 범위에서 발생함 • 선단하중 증분의 대부분이 C갱 굴진시 발생하는 것으로 검토됨 • 교대 파일 구조물 안정성 확보를 위해서는 터널내공변위를 20mm 이하로 유지하는 것이 바람직한 것으로 검토됨 Case B: 내공변위 40mm Case A: 내공변위 20mm

42. 결과 및 고찰-우물통 기초 거동 우물통 기초 변위 <연직변위> <수평변위> • C갱 굴진방향 우측 우물통의 연직변위가 10~15 mm 발생하는 것으로 검토됨 • 수평변위는 크게 문제시 되지 않는 것으로 검토됨 Case A: 내공변위 20mm Case B: 내공변위 40mm

43. 결과 및 고찰-우물통 기초 안정성 우물통 축하중 • 터널굴진으로 인하 우물통에는 추가 압축하중이 발생하는 것으로 나타남 • C갱 굴진방향 우측 우물통의 압축하중 증분량이 D갱 굴진방향 좌측 우물통보다 2배이상 크게 발생하는 것으로 나타남 • C갱 및 D갱 사이의 우물통에 대한 집중관리가 필요한 것으로 검토됨.

44. 결과 및 고찰-우물통 안정성 우물통 기초간 각 변위 • 쉴드기가 우물통 통과이후 0.8D까지 각변위가 증가하는 것으로 검토되어 통과 후 시공관리가 중요한 것으로 검토됨 • 각변위가 1/2220~1/1250 범위에서 발생하는 것으로 나타나 터널내공변위 40mm 정도 허용시에도 구조적인 문제가 없는 것으로 검토됨 Case B: 내공변위 40mm Case A: 내공변위 20mm

45. 중점관리구간 지표침하 계측자료를 이용한 시공관리 평가

46. 여의하류 IC 구간 • 지표침하 S-16(15K 340) 지반 히빙 현상 발생 • 이수가압으로 인한 지반 10mm 정도의 히빙 발생 • 안정성 평가시 허용변위 이하로 발생하여 성공적으로 시공관리가 수행된 것으로 판단됨

47. 여의하류 IC 구간 • 지표침하 S-17(15K 360) 지반 히빙 현상 발생 • 이수가압으로 인해 최대 10mm 정도의 지반 히빙 발생 • 안정성 평가시 허용변위 이하로 발생하여 성공적으로 시공관리가 수행된 것으로 판단됨

48. 국회 구간 • 지표침하 S-28(15K 660), S-30(15k 720) 최대 20mm 내외의 지표침하 발생 • 실드굴진에 따라 장기간에 걸쳐 침하 발생: 향후 유사시공조건에서 장기 침하 계측관리의 필요성 • 최대 지표침하는 20mm 내외가 발생하여 허용치 이내로 대부분 1차 관리기준치 이내를 나타내어 시공관리가 성공적으로 수행됨

49. 국회 구간 • 지표침하 S-33(15K 810), S-35(15k 880) 최대 20mm 내외의 지표침하 발생 • 실드굴진에 따라 장기간에 걸쳐 침하 발생: 향후 유사 시공조건에서 장기침하 계측관리의 필요성 • 최대 지표침하는 20mm 내외가 발생하여 허용치 이내로 대부분 1차 관리기준치 이내를 나타내어 시공관리가 성공적으로 수행됨

50. 라이닝 세그먼트 응력 검토를 통한 라이닝 안정성 평가