1. 서 론
2. 지하 복합플랜트 실증 부지 지반 조건 및 해석 대상
3. 지하 복합플랜트 공정 단계별 지지하중 해석
3.1 해석 조건
3.2 시공단계별 수평토압 고려 지하벽체 해석
3.3 해석 결과
4. 결 론
1. 서 론
최근 도시화 및 경제 성장 등으로 인한 지상 폐기물 처리시설이 포화됨에 따라 환경기초시설의 지하화 건설에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 기존에 도심지 외곽에 존재하던 기피시설의 도시 확장에 따른 도심지 편입 현상이 증가하고 있고, 기존 폐기물 처리시설의 노후 및 용량 한계 초과로 인한 에너지/환경 시설의 부지 확보가 시급한 실정이다. 현대경제연구원의 연구에 따르면, 매립장 또는 소각장 증설을 두고 환경문제를 우려하는 주민과의 갈등으로 전국 자치단체의 쓰레기 산은 약 235곳이며, 약 120만 ton이 방치되고 있다고 분석하였다(Lee et al., 2015). 이렇게 발생되는 폐기물의 친환경적 처리 및 열에너지 공급을 목적으로 자원순환형 시설의 다양한 지상 건설 사례는 있으나, 지하 건설 사례는 극히 드물다. 따라서, 지역 혐오시설에 대한 NIMBY(Not in My Back Yard) 문제 해결을 위하여 폐기물 처리 시설은 지하화하고, 지상은 공원과 같은 주민 수용 시설을 설치하는 지역 랜드마크 건설 사업이 시급한 실정이다. 또한, 지하 복합플랜트 건설 핵심 기술을 확보하기 위해서는 다양한 지반 조건 및 하중 조건을 고려한 안정성 검토가 필요하다(Fig. 1).
최근 도심지 지하 건설을 위하여 지반 조건을 고려한 지중 연속 벽체 또는 흙막이 벽체의 지반 거동에 대한 실험적 연구(Park et al., 2015, Park et al., 2016), 지하 굴착 시 역해석 기법을 활용한 연속벽체의 안정 해석(Lee et al., 2002), 지중 연속벽체 설계 시 변위, 응력 검토(Hong and Kang, 2010) 및 지하공간 건설 시 설계 정수 도출과 보강 효과에 대한 해석적 연구(Seo et al., 2012)가 수행되어 왔다. 또한, 복합플랜트 설치를 고려한 지하 대공간 설계 인자 도출 및 상부 슬래브 형태(원형, 돔형)에 대한 사전 연구도 일부 수행되었다(Kim et al., 2021). 하지만 도심지 지하에 공간 활용도를 극대화할 수 있는 대공간 설계 및 시공과 관련된 연구는 미비한 상황이다.
본 연구에서는 실증 목표로 하고 있는 복합플랜트 시설 계획(안)에 기초해 폐기물 진입 차량 이동, 유기성 처리공정 구획(3~4개층), 소각로 높이 등의 규모를 고려하여, 최소 3,200m2, 깊이 20m 이상의 대공간을 지하에 건설한다는 조건을 반영하였다. 지상 활용도에 따른 상부 하중 및 수평 토압을 고려한 지반 안정 해석을 수행하였다. 안전한 지하 대공간 시공을 위해 설계인자를 도출하고, 상세 설계 및 시공 단계에서 활용할 수 있는 다양한 요소들에 대한 검토가 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 건설 공정을 고려하여 복합플랜트 시설을 고집적으로 배치하고 지하 공간 활용도를 극대화할 수 있도록 다양한 해석을 수행하였다. 즉, 지하 대공간 상부슬래브 및 공원화를 고려한 상부하중 및 실증 대상 부지에 대한 지반 조건을 고려하여 지하 연속 벽체(D-Wall) 안정 해석을 수행하고, 실증 규모를 고려하여 내부 벽체 유무에 따른 Parameter Study를 통해 변위 및 응력 발생 경향을 분석하였다.
2. 지하 복합플랜트 실증 부지 지반 조건 및 해석 대상
본 연구의 대상지역(실증연구 수행 예정 부지)은 부산시 OO군 OO산업단지 부지이고, 주변 10여 개의 산업단지에서 발생하는 폐기물의 친환경적 처리 및 열에너지 공급을 목적으로 자원순환형 스마트산단 조성을 계획하고 있다. Fig. 2와 같이 플랜트 구성 및 배치(안)에 기초하여 지하 복합플랜트 설치 공간은 가로 120m, 세로 60m, 높이 30m로 설정하고, 연속벽체(D-Wall) 구조체를 이용하여 시공하는 것으로 가정하였다. 또한, 천장 슬래브 타설 후 상부는 공원으로 활용하는 것으로 가정하여 13kN/m2의 하중을 고려하였다. 대상 지역에 대한 총 9공의 시추조사(기반암 미 출현 시 기본 30m 굴진, 기반암 3m 확인 굴진)를 수행하였으며, 격자형 전기비저항 탐사를 실시한 결과 지층은 매립층, 충적층(퇴적층), 풍화대, 기반암으로 구성되며 시추 위치에 따라 지층의 층후가 급변하는 양상을 보였다. 전체적으로 실증부지 중앙을 기준으로 북동쪽 부지는 풍화대가 깊게 분포하고, 남서쪽 부지는 매립층이 깊게 분포하며 남동쪽 부지는 기반암이 상대적으로 빨리 출현하는 것으로 분석되었다.
3. 지하 복합플랜트 공정 단계별 지지하중 해석
제한된 지하공간에 복합플랜트의 고집적 배치를 위하여 플랜트 구성 및 배치(안)과 지반조사 결과를 반영하여 상부하중 및 수평토압 고려 지하벽체의 안정 해석을 수행하였다. 복합플랜트 지중건설 시 지중의 전단응력 발생경향 및 소성영역 분포현황의 사전 분석하였고, 시공 공정 계획 수립을 위한 시공단계별 해석을 수행하였다. 또한, 면적이 넓고 깊이가 깊은 지하 공간을 고려하여 중간벽체 설치유무 및 간격변화에 대해 상부하중을 고려한 복합플랜트 하중에 따른 기초지반의 단계별 안정해석을 통한 변형특성 및 응력발생 경향을 상세 검토하였다. 전체해석 영역의 크기는 굴착으로 인한 영향범위를 고려하여 300m×300m×120m(가로×세로×높이)로 설정하고, 지하 복합플랜트의 설치공간을 120m×60m×30m(가로×세로×높이)로 고려하였으며, 연속벽체는 D-Wall 구조체를 이용하여 시공하는 것으로 가정하였다. 또한, 평면형식 천정슬래브 타설 후 상부는 공원으로 활용되는 것으로 가정하였고, 지반조사결과 시추조사 및 물리탐사 성과를 반영하여 지층형태를 구현하였으며, 공간적인 지층의 분포특성을 PLAXIS 2D로 해석을 수행하였다.
3.1 해석 조건
본 연구에서 적용한 해석 지반 조건은 사전 시추 조사 결과를 반영하여 Table 1에 제시하였고, 매립층은 모래질 실트, 풍화토는 실트질 모래로 구성되어 있고 깊이 10m 이하에서는 풍화함이 출현하는 것을 고려하였다. 벽체 및 바닥 슬래브 해석 조건은 Table 2와 같이 연속벽체(D-Wall)는 Elastic 모델을 적용하였으며 다양한 매개변수 분석을 위해 지하 대공간 내부에 중간벽체가 1개소와 2개소가 설치되었다고 가정하여 변위와 응력의 발생 경향을 검토하였다.
Table 1.
Soil properties for analysis
Table 2.
Middle-wall, D-wall and floor slab properties for analysis
복합플랜트를 지하에 고집적 배치하는 경우 플랜트 설비의 무게(1ton~4,000ton)에 따라 저판 슬래브에 하중이 부분적으로 과도하게 가해지는 특성이 있을 것으로 예상되지만, 2차원 해석의 특성을 고려하여 혐기소화조나 폐수처리조의 하중크기를 고려하여 바닥슬래브에 100kN/m/m의 등분포 하중이 재하 되는 조건으로 고려하였으며, 주변지반에는 공원에 차량 통행 등으로 인한 DB-24의 공용하중이 재하 되는 것으로 가정하였다. 본 연구에서는 시공 단계를 고려한 상세 안정성 검토를 위해 Table 3의 6단계 시공 공정별(응력초기화, 연속벽체(D-wall) 시공, 굴착 및 바닥 슬래브 시공, 상부 슬래브 시공, 복합플랜트 설치, 공용하중(DB-24) 재하)로 해석을 수행하였다.
Table 3.
Underground complex plant construction process for analysis
3.2 시공단계별 수평토압 고려 지하벽체 해석
상부하중, 지하 설치 복합플랜트 하중 및 수평토압을 고려한 지하 연속벽체의 시공 중 안정해석을 위해 연속벽체(D-Wall) 및 바닥 슬래브의 두께를 고정하고, 중간벽체의 설치간격을 변화시켜 수평변위 및 토압의 발생경향을 검토하였다. 지반조건의 모델링에 있어서는 플랜트 설치 공간 좌우측의 지층변화로 인한 편토압의 영향을 고려하기 위해 지반조사 결과를 반영하여 가장 불리한 조건으로 수치해석을 수행하였다. Fig. 3과 같이 시추조사 및 물리탐사 결과에 기초하여 지층형태를 구현하였고, 2차원 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 2D를 사용하여 Plain strain 조건으로 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 지하 연속벽체(D-Wall)와 지반의 경계면은 서로 미끄러짐(Sliding)과 분리거동(Opening)이 발생할 수 있도록 경계조건을 설정하였다. 해석은 Fig. 3과 같이 굴착으로 인한 영향범위를 설정하고, 단축과 장축 방향으로 모델링하여 수평변위, 연직변위 및 응력 변화를 검토하였다. 또한, 해석에서는 연속벽체(D-Wall), 바닥기초 슬래브, 상부 구조물, 중앙벽체 모두 선형탄성부재로 가정하여 거동특성을 분석하였고, 지하 공간에 플랜트 설비가 설치되어 있는 공용하중 및 플랜트 설비 하중 재하 조건으로 가정하였다.
3.2.1 중간 벽체가 없는 지하 대공간 안정 해석
Fig. 4는 복합플랜트 설치를 고려하여 하중이 재하 된 3단계 굴착 및 바닥 슬래브 설치 시부터 연속벽체(D-Wall)에 발생하는 단축 방향의 수평/연직 변위 발생 및 응력 변화를 보여주고 있다. 단축 방향 해석 결과 3단계 굴착 완료 후 최대 수평변위는 토층의 심도가 상대적으로 더 깊은 벽체 좌측 최상단에서 243.9mm 발생하였고, 4단계 상부슬래브 타설 후 최대 수평변위는 좌측벽체 최상단에서 246.9mm 발생하였다. 5단계에서는 지하 플랜트 하중 재하 후 최대 수평변위는 좌측벽체 최상단에서 246.5mm 발생하였고, 6단계 공용하중(DB-24) 재하 시에는 좌측벽체 최상단에서 247.7mm 발생하였다. 응력 검토 결과 3, 4, 5, 6단계 모두 연속벽체(D-Wall) 배면의 토사층에서 Mohr-Coulomb 파괴규준을 넘는 소성영역이 발생하고 있으며, 최대전단응력은 좌 ․ 우측 D-Wall의 풍화암 관입부 부근에서 나타났다.
장축 방향 해석 결과(Fig. 5), 3단계 굴착 완료 후 최대 연직변위는 굴착중앙부에서 90.9mm 발생하였고, 4단계 상부슬래브 타설 후 최대 연직변위는 상부슬래브 중앙부에서 491mm 발생하였다. 5단계 지하 플랜트 하중 재하 후 최대 연직변위는 상부슬래브 중앙부에서 491mm 발생하였고, 6단계 공용하중(DB-24) 재하 시에는 최대 연직변위는 상부슬래브 중앙부에서 739mm 발생하였다. 응력 검토 결과 3, 4, 5, 6단계 모두 단축 방향 해석 결과와 동일하게 연속벽체(D-Wall) 배면의 토사층에서 Mohr-Coulomb 파괴규준을 넘는 소성영역이 발생하였고, 최대전단응력은 좌 ․ 우측 D-Wall의 풍화암 관입부 부근에서 나타났다.
3.2.2 중간 벽체가 설치된 지하 대공간 안정 해석
Fig. 6에 지하 대공간 중앙에 벽체를 설치하였을 때 단축 방향 해석 결과를 도시하였다. 3, 4, 5, 6 단계에 최대 수평 변위는 각각 246.3mm, 246.8mm, 246.5mm, 247.7mm 로 중간 벽체가 없는 경우와 비슷한 결과 값이 도출되었지만, 최대 연직 변위는 3단계에서는 굴착중앙부에서 60.1mm, 4단계에서는 상부슬래브 중앙부에서 62.0mm, 5단계에서는 좌측 중앙부에서 71.7mm, 6단계에서는 상부슬래브의 좌측 중앙부에서 95.6mm에서 관찰되었으며 중간벽체가 없는 경우보다 크게 감소함을 확인할 수 있었다. 중간 벽체 설치시도 최대 전단응력은 응력 검토 결과 3, 4, 5, 6단계 모두 연속벽체(D-Wall) 배면의 토사층에 소성 영역이 발생하고, 풍화암 관입부에서 관찰되었다. 하지만 비교적 재하 하중이 크게 작용된 4단계 상부슬래브 타설 후와 6단계 공용하중(DB-24) 재하 시 중간 벽체가 없는 경우에 비해 크게 감소함을 확인할 수 있었다.
중간 벽체가 없는 해석 조건과 동일하게 장축 방향의 수평 변위를 검토한 결과(Fig. 7) 3단계에서는 굴착 완료 토층의 심도가 상대적으로 더 깊은 벽체 좌측 최상단에서 249.9mm 발생하였고, 4단계에서는 좌측벽체 최상단에서 221.9mm, 5단계에서는 좌측벽체 최상단에서 221.1mm 발생하였고, 6단계 공용하중(DB-24) 재하 시에는 좌측벽체 최상단에서 209.2mm 발생하였다. 연직 변위는 3단계 굴착 중알부에서 91.9mm, 4단계 상부슬래브 중앙부에서 341.2mm, 5단계 상부슬래브 좌측 중앙부에서 354.5mm, 6단계 상부슬래브 좌측 중앙부에서 506.0mm 각각 관찰되었다. 이 결과 값은 중간벽체가 없는 경우와 비교하였을 때 크게 감소함을 보여준다. 최대전단응력도 동일하게 풍화암 관입부에서 관찰되었는데 결과 값 또한 중간벽체가 없는 경우와 비교하였을 때 단축 방향 해석과 동일하게 감소함을 확인할 수 있었다.
3.3 해석 결과
실증부지 대상 복합플랜트 고집적 배치를 위한 지하 대공간 해석을 위해 플랜트 구성 및 배치(안)과 지반조사 결과를 반영하여 PLAXIS 2D를 이용하여 시공단계별 상세 안정성 검토를 수행하였다. 상부하중, 지하 플랜트 하중 및 수평토압을 고려한 지하벽체의 시공 중 안정해석을 위해 연속벽체(D-Wall) 및 바닥 슬래브의 두께를 고정하고, 중간 벽체 설치 여부에 대한 단축/장축 방향 최대 수평 변위 및 수직 변위 발생 경향을 검토하였다. Fig. 8은 중간 벽체 설치와 미설치 조건에 대한 단축방향 최대 수평 변위, 최대 연직 변위 및 최대 전단력의 해석 결과를 보여주고 있다. 수평 변위는 비슷한 경향을 보였으나, 최대 연직 변위는 중간 벽체를 설치하였을 때 크게 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 최대전단력은 두 경우 모두 연속벽체(D-Wall)의 풍화암 관입부 부근에서 관찰되었으며, 주로 연속벽체(D-Wall) 배면의 토사층에서 주된 소성영역이 발생하는 것으로 분석됐고, 비교적 큰 상부하중이 작용하는 3단계 상부 슬래브 설치 시와 6단계 공용하중 재하 시 중간 벽체가 없는 경우가 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
또한, 중간벽체 설치 개수(1, 2개소)를 변화하여 수평변위, 연직변위 및 전단응력의 발생경향도 검토하였다. Fig. 9에 장축 방향에 대한 중간 벽체 개수에 따른 최대 수평/연직 변위를 정리하였다. 해석 결과, 중간벽체를 설치하는 경우 상부하중으로 인한 최대연직변위를 감소시키는 것을 알 수 있었고 중간벽체 개수가 증가할 때 연속벽체의 거동이 보다 안정됨을 확인할 수 있었다. 이는 상부하중 및 플랜트 설비하중으로 인한 영향이 중간벽체를 통해 지반으로 고르게 전달되는 영향인 것으로 분석된다.
4. 결 론
본 논문에서는 유한요소해석프로그램(PLAXIS 2D)을 이용하여 복합플랜트 지하화에 따른 상부하중 및 수평토압을 고려하여 지하연속벽체(D-Wall) 거동 해석을 수행하였고, 지하 복합플랜트 건설 시 지중의 전단응력 발생경향 및 소성영역 분포현황을 분석하였다. 그 결과, 지하 복합플랜트의 시공단계와 하중조건을 고려한 상부하중 및 수평토압의 경향은 중간벽체를 설치하는 경우 단축방향/장축방향 모두 상부하중으로 인한 최대연직변위를 감소시키는 효과를 확인할 수 있었다. 이는 상부하중 및 플랜트 설비하중으로 인한 영향이 중간벽체를 통해 지반으로 고르게 전달되는 영향인 것으로 분석된다. 또한, 지하 대공간 시공 시 사전 보강 영역 선정을 위하여 지중 전단응력 발생경향 및 소성영역 분포 현황을 검토한 결과, 연속벽체(D-Wall)의 풍화암 관입부 부근으로 최대전단력이 나타났으며, 주로 연속벽체(D-Wall) 배면의 토사층에서 주된 소성영역이 발생하는 것으로 파악되어 시공 시 보강이나 연속벽체(D-Wall)의 두께 증가 등의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
향후 본 연구에서 수행한 해석 결과를 기초 데이터로 활용하여 가시설의 안정해석 뿐 아니라, 영구 구조물의 부등침하 등에 대한 영향 검토가 필요할 것으로 판단된다.
