1. 서 론
지하구조물은 동일한 형태의 시설물이라고 하더라도 모든 면에서 동일한 사업은 존재하지 않는다(Lee et al., 2015). 즉, 지반조건에 대한 고유성과 비 반복성의 특성을 가지고 있으며, 사업수행 과정에서 많은 불확실성과 다양한 변수들의 발생 가능성을 가지고 있기에 공정을 계획함에 있어 충분한 사전조사와 체계적이고 과학적인 분석에 근거한 계획의 수립과 수행 그리고 이를 통한 생산성의 향상을 필요로 한다.
광산분야에서 격자형 또는 주방식 공법(room-and-pillar mining)은 지형, 광물의 매장 분포 형태, 굴착방식에 따라 굴착공정을 달리 적용하며 굴착부를 일정한 간격으로 직교하도록 굴착하여 자연적인 지보재로서 활용되는 직사각형 또는 정사각형의 필러를 만들며 공간(또는 룸)을 형성해 나간다(Hartman and Mutmansky, 2002; Darling, 2011). 격자형 지하공간 조성 공법은 최근 교통인프라, 데이터 저장소, 군사시설 등의 공간적 자원으로 그 활용성이 급격히 증대되고 있다.
격자형 지하공간의 조성은 재래식 굴착공법인 천공-발파공법(drill and blast)에 의해 굴착을 하거나 이동이 가능한 연속성 채굴장비(continuous miner)를 이용하여 굴착방향으로 (1) 룸 굴착 → (2) 버력운반 → (3) 천단보강의 공정을 반복하며 룸과 필러를 순차적으로 만들어간다. 천공-발파공법을 사용할 경우 연속성 채굴장비를 적용함으로써 굴착진동을 최소화 하고 장비 이동거리를 최소화하여 룸 굴착 후 인접한 룸을 굴착하는 방식을 적용한다. 그러나 기계식(연속성 채굴장비) 굴착방식 기술은 전 세계적으로 널리 활용되고 있으나 커팅헤드 기술은 전 세계적으로 약 6개국에만 보유하고 있는 최첨단 기술이며, 국내 관련 기술은 이에 비해 부족한 실정이다.
본 연구에서는 격자형 굴착공정의 최적 설계를 위하여 숏크리트 및 록볼트 등 지보재가 설치되는 것을 고려하여 특정 지반조건에서의 격자형 지하공간 설계 및 시공 시 안정성과 시공성을 해석적으로 검토하고자 한다. 임의의 굴착단계 및 방식에 따라 유한차분법(FDM, finite difference method) 기반 해석프로그램을 활용하여 굴착공정별, 단계해석을 수행하여 보강지점, 주요 변위발생 구간 등을 해석적으로 분석하고, 해석결과는 추후 격자형 지하공간 설계 및 시공 검토 시 활용하고자 한다.
특정 지반조건에서 굴착 공정과 지보재 설치가 고려된 격자형 지하공간 구조해석을 위해 본 연구에서는 임의의 굴착 단계 및 지보재 설치의 영향을 고려하여 유한차분법 기반 해석프로그램을 활용하여 굴착 공정별, 단계해석을 수행하였다. 격자형 지하공간 조성 대상 지반은 폭 100m 이상 임의의 부지이며, 높이 8m 이상의 필러와 룸을 형성하는 것으로 가정하였으며, 굴착 공정은 암주와 룸을 순차적으로 시공해 나가는 전통적(천공-발파) 가로·세로 병행시공 방식과 가로·세로 순차시공 방식의 굴착순서로 가정하여 굴착에 따른 안정성을 해석적으로 분석하고자 하였다. 또한, 본 해석에서는 숏크리트 및 록볼트 설치를 모사하여 지보재 설치의 룸 천정부 침하, 필러 중심부 응력 등의 영향을 확인하였다.
2. 격자형 지하공간 굴착 해석 모델링
본 연구에서는 서울 도심 지하의 임의의 암반에 격자형 지하공간을 조성하는 것을 상정하여 수치 모델링을 수행하였다. 즉, 일반적인 서울지하철의 심도인 지표 하 30m에 격자형 지하공간이 굴착되는 것을 가정하였다. Table 1에 나타난 Type I~III의 암반 지반 물성은 서울지하철에 적용된 지반 물성치 중 보통암 및 경암의 지반정수를 조사하여 정리하였고(Ham et al., 2021), Type IV, V의 물성의 경우 서울시 지반조사편람, 서울지하철 905, 910, 911, 921, 913, 914, 917, 921, 301 공구의 지반조건을 참조하였다(Table 1).
Table 1.
Material properties depends on the ground condition (Seoul Metropolitan, 2006)
지반조건 검토를 바탕으로 결정된 수치해석 조건이 Table 2에 나타나 있다. 굴착공법은 발파, 기계공법 구분이 없는 것으로 가정하였으며, 계획부지는 가로 132m, 세로 132m 정방형으로 구성하였다. 토피고는 천정부 상부 30m, 필러의 높이(H)와 너비(W)는 각각 8m로 암주 형상비가 1이 되도록 하였다. 룸의 너비(S)는 12m로 룸 형상비(S/H)가 1.5로 가정하였다.
Table 2.
Condition of numerical modelling
격자형 지하공간 굴착 해석은 전술한 바와 같이 유한차분법 상용해석 프로그램인 FLAC3D(ver. 7.0)을 통해 모델링 되었으며, Table 2 조건으로 모델링 된 수치 모델은 Fig. 1에 나타냈다.
Fig. 1에 나타나 있는 모델은 모든 굴착이 완료된 상태의 암주 상부 절단면을 보여주며 천정부(8m 높이)를 기준으로 절단하여 나타냈다. 전체 모델의 크기는 가로 150m, 세로 150m, 높이 18m의 직육면체 형태이며, 모델의 경계조건 부여를 위해 가로 132m, 세로 132m의 굴착 계획부지 보다 크게 모델링 하였다. 암주 및 룸 높이 8m 상·하로 5m 길이의 여유를 두어 모델의 높이는 18m 이며, 모델의 상부 면에는 토피고 30m에 해당하는 하중조건 부여를 위해 모델링 된 5m를 제외한 25m 자중에 해당하는 상부 하중 경계조건을 부여하였다. 상부 부분을 제외한 부분은 각 경계면의 법선 방향 변위를 고정하는 경계조건을 부여하였다.
가로·세로 병행시공은 주갱 또는 주요 통로를 먼저 굴착한 후 세부적인 공간을 굴착하는 방식을 말하며 가로·세로 순차시공은 굴착 입구에서 수평 방향으로 굴착을 진행한 뒤 수직 방향 굴착을 진행하는 것을 말한다(Fig. 2). 굴착은 발파 2개소 또는 굴착장비 2대가 동시 운영되는 것으로 가정하였으며, 굴착 공정에 따른 구조 안정성 영향 분석을 위해 가로·세로 병행시공(Case 1)과 가로·세로 순차시공(Case 2)해석을 각각 수행하였다. 가로·세로 병행시공(Case 1)과 가로·세로 순차시공(Case 2) 굴착 단계는 모두 34단계로 이루어져 있으며, 각 굴착 방법에서 대표적인 단계별 굴착 상황은 Fig. 3과 Fig. 4에 나타냈다.
격자형 지하공간 조성 시 지보재의 영향에 대한 분석을 위해 강섬유 보강 숏크리트와 록볼트가 굴착과 동시에 시공되는 것으로 가정하여 해석을 수행하였다. 본 연구에 적용된 지보패턴은 Type-2로 굴착면 전면에 강섬유 숏크리트를 시공하고, 록볼트는 49개의 룸 중앙 천정부에 2.5m 간격으로 모두 설치하였다. 지보재는 굴착이 이루어짐과 동시에 설치되는 것을 가정하여 모델링을 하였다. 록볼트는 각 룸의 천정부에 20개 씩 설치되어 49개의 룸에 총 980개의 록볼트 설치가 모사되었다. 수치 모델에 입력된 지보재 물성치는 일반적으로 설계에 사용되는 물성으로 Table 3에 정리하였다. 록볼트와 강섬유 보강 숏크리트가 수치 모델에 설치된 모습은 Fig. 5에 나타냈다.
Table 3.
Material properties of supporting materials
3. 지하공간 굴착 해석 결과
Fig. 6과 7은 최종 단계에서의 필러 중앙부에 발생한 응력의 크기를 나타낸다. 필러 중앙부의 응력은 위치에 따라 700kPa~1200kPa 범위로 나타났으며, 굴착 단계, 지보재 유무에 따라 유의미한 차이를 보이지 않았다.
Fig. 8과 9는 병행시공(Case 1)과 순차시공(Case 2)에서 공정단계에 따른 천정부 변위를 나타낸다. 굴착 공정별 천단부 침하는 두 굴착 방법에서 큰 차이를 보이지 않았다. 다만, 가로·세로 순차시공에서 천정부 침하가 약 0.1~0.4mm 적게 나타나 가로·세로 순차시공이 가로·세로 병행시공보다 안정성 측면에서 나은 결과를 보였다. 반면, 지보재 설치에 따라 룸 천정부의 침하는 약 0.6~45mm 감소되는 것으로 나타나 지보재 설치에 의한 룸 천정부 침하 감소 효과가 뚜렷하게 나타났다. 또한, 병행시공(Case 1)의 경우가 순차시공(Case 2)에 비해 초기 굴착 단계에서 상대적으로 침하가 크게 발생하고 순차시공이 후기 굴착 단계에서 상대적으로 침하가 크게 발생하였다.
Fig. 10은 중앙에 위치한 룸 천정부 변위를 공정과 굴착 단계별로 나타냈다. 그림에서 나타나듯이 14단계까지는 굴착 방식에 관계없이 유사한 변위를 보인다. 14-15단계에서 변위가 크게 발생한 경우는 병행시공의 경우이며 굴착이 중앙부에서 수행될 때 최대 변위로 발생하고 이후 굴착이 진행되더라도 변위 차이는 크지 않았다. 병행시공의 경우는 25-26단계에서 마찬가지로 중앙부 굴착이 이루어지면서 변위가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 연구에서 고려한 암주의 너비와 높이, 룸의 너비와 높이는 기존 연구에서 제안한 설계 방식(Lee et al., 2014a; Lee et al., 2014b)을 따르고 있다. 해당 연구에서는 암주의 크기나 형상비를 무지보 암주를 사용하여 구조적 안정성을 유지하는 방향으로 설계가 이루어진 것으로 암반의 상태가 약한 경우(Type III 이상)에서 현장 상황을 고려하여 지보재를 고려하도록 하고 있다. 본 연구에서 고려한 지반 조건의 경우, 비교적 양호한 조건에서 검토된 것으로 지보재 유무에 따른 변위 제어 정도를 검토하고자 하였다. 해석 결과에서 나타나듯이 변위 제어의 효과를 알 수 있었으나 변위의 범위가 설계 허용범위에 속하는 경우 시공비 등을 고려하여 지보재 설치 유무를 현장에서 판단할 수 있을 것이다. 다만, 굴착 방식에 따라 최대 변위가 나타나는 시기가 다르게 나타나기 때문에 이를 사전에 고려하여 현장 굴착 단계에서 이를 고려하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 숏크리트 및 록볼트 설치를 고려하여 굴착공정 및 단계에 따른 격자형 지하공간 굴착 안정성을 검토하였으며 결론을 정리하면 다음과 같다.
(1) 경암지반(Type 2) 지반조건의 토피고 30m, 가로 132m, 세로 132m의 정방형 대상 부지에 암주 및 룸 높이(H) 8m, 암주 폭(W) 8m, 룸 너비(S) 12m를 가진 정방형 지하공간을 조성하는 것으로 가정하여 가로·세로 병행시공(Case 1), 가로·세로 순차시공(Case 2)의 두 가지 굴착순서로 굴착 해석을 수행하였다. 이때, Type-2의 지보패턴을 적용하여 굴착과 동시에 강섬유 보강 숏크리트와 록볼트가 설치되는 것을 모사할 수 있었다.
(2) 룸 천단변위의 경우 지보재 설치 유무와 관계없이 모든 침하 값이 1.5cm 이하로 나타났다. 지보재가 설치될 경우 침하 값은 0.9cm 이하로 나타난다. 천단 침하가 가장 먼저 굴착하는 주갱도 부분에서 변위가 가장 크게 나타났으며, 가로·세로 병행시공(Case 1)에서 가로·세로 순차시공(Case 2)에 비해 최종 천단부 침하가 경향이 크게 나타나 가로·세로 순차시공(Case 2)의 경우가 침하측면에서 상대적으로 안전하게 나타났다.
(3) 암주의 응력은 약 700~1200kPa 사이에 분포하는 것으로 나타났다. 지보재가 설치될 경우에도 필러의 응력은 크게 감소하지 않았다. 일반적인 압축강도를 고려하였을 때, 해당 30m 토피고에서 격자형 굴착에 의해 형성되는 암주는 충분한 안전율을 가질 것으로 판단되며, 외곽부 필러의 응력 값이 중심부 필러들의 응력 값에 비해 크게 나타나 안전성 측면에서 불리한 것으로 나타났다.
(4) 지보재 사용에 따른 변위 제어의 효과를 알 수 있었으나 변위의 범위가 설계 허용범위에 속하는 경우 시공비 등을 고려하여 지보재 설치 유무를 현장에서 판단할 수 있을 것이다. 다만, 굴착 방식에 따라 최대 변위가 나타나는 시기가 다르게 나타나기 때문에 이를 사전에 고려하여 현장 굴착 단계에서 이를 감안하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
