As railway lines pass not only under of existing urban road facilities but also under the commercial and residential facilities, vague anxiety caused by vibrations generated and public opinion against railway construction is created. Thus, the recent working design was completed and the operation of the Seoul Metropolitan Rapid Transit Railway 00 line under construction was reviewed by quantitatively calculating and comparing the tunnel excavation and the vibrations generated by nearby roads and railway facilities in public. The acceptance criteria could be satisfied by vibrating control blasting if separation distance of the the security object were less than 60m, and the acceptance criteria could also be satisfied by normal blasting excavation if the distance is more than 60m. In the case of non-vibration mechanical excavations and TBM excavations, the vibration generated was minimal below less than 1/dozens of the allowable criteria. Vibration caused by nearby railway traffic was within the allowable criteria, but the nearby road traffic (large bus and dump truck operating conditions) greatly exceeded the acceptance criteria. Therefore, it was shown that the vibration effect of construction on the new railway line would be relatively small. Through this study, we intend to promote optimal railway construction by eliminating vague anxiety among residents and selecting a reasonable tunnel excavation method based on location conditions.
김상철 상무(지질및지반기술사) 철도2부 (sckim3@samaneng.com)
이전진 부장, 철도2부(jjlee1@samaneng.com)
장기영 부장, 철도2부 (kyjang1@samaneng.com)
김도헌 전무(철도기술사), 철도2부 (dhkim1@samaneng.com)
1. 서 론
수도권 및 대도시를 중심으로 국민의 삶의 질 향상과 쾌적하고 빠른, 편리한 교통시설의 확충을 위해 다수의 철도노선이 신설 또는 기존노선의 연장사업이 추진되고 있다. 철도교통시설은 도로교통시설에 비해 설계속도 값이 훨씬 빠르고 곡선반경이 커, 선형상의 제약조건이 크게되어 필연적으로 기존 도심지 도로시설 하부뿐만 아니라 상업시설과 주거시설 하부를 통과하게 된다.
신규철도노선이 주거 및 상업시설 하부를 통과하면 터널굴착에 따른 발생진동으로 많은 민원들이 제기되고, 주민들의 막연한 불안감으로 철도건설에 대한 반대여론이 조성되기도 한다. 또한 그에 따른 장기간의 공기지연으로 말미암아 막대한 사회적 손실이 발생하기도 한다. 이에 본 연구에서는 최근 실시설계가 완료되어 시공 중에 있는 수도권광역급행철도 00노선을 대상으로 발파굴착시와 무진동기계굴착, TBM굴착 시의 발생진동을 정량적으로 산출하였다. 또한, 공용 중에 있는 인근 도로 및 철도시설에 의한 발생진동을 정량적으로 산출하여 터널굴착에 의한 값들과 비교 검토하였다.
운행 중인 철도에 의한 인근 보안물건에서의 진동영향 분석 및 진동예측식 모형 연구로는, 1970년 T. G. Gutowski, H. P. Verhas 등이 열차진동의 예측과 지반을 통한 진동전파에 관한 연구, 열차 진동측정에 관한 연구를 수행하였으며, 1980년대에는 Novak, Miffnawy가 지반의 지질특성 및 이격거리에 따른 지반진동의 감쇠특성에 관한 연구를 수행하였으며, 1990년 Madshus 외 3인은 지반상태, 열차의 종류, 선로의 상태, 열차속도, 궤도로부터 건물까지의 거리, 건물기초, 구조형식 및 바닥슬래브 등이 건물진동에 영향을 주는 요인에 대하여 연구를 진행하였다. 국외 예측모델은 크게 주파수별 예측모델인 Wilson의 모델, Ungar & Bender의 모델 그리고 전체레벨을 예측하는 Tokita모델, 뉴욕 지하철 모델, 일본 지하철 모델 등이 있으며 대부분 측정 데이터를 기준으로 한 경험식을 이용하고 있다. 한편, 국내에서는 국립환경연구원(1996), 철도기술연구원(2001) 및 한국철도시설공단(2013.11) 등에서 예측모델 개발연구가 수행되었다. 국내에서는 1996년에 국립환경연구원에서 제시한 철도 진동예측식이 진동영향평가에 쓰이고 있으나, 이 예측식은 토공 평지구간 거리별 측정값에 따른 경험식이며, 일정한 이격거리(30m이상)에서 진동의 크기가 오히려 증가하는 오류를 가지고 있고, 고속열차의 진동 데이터가 없으며, 현재 운용하는 열차의 진동을 예측하는데 한계를 보이고 있다. 또한, 간편하게는 쓸 수 있으나, 철도 진동에 대한 측정데이터의 수가 적어 비교적 많은 오차를 내포하고 있다. 이에 반해, 2013년 한국철도시설공단(현, 국가철도공단)의 연구에서는 수도권지하철 12개소, KTX구간 19개소, 일반철도 구간 12개소에서의 이격거리별, 구조물별(토공, 교량, 터널구간)로 구분하여 진동을 측정하였다. 또한 상위 50% 평균 진동레벨을 활용하여 예측모델을 개발하였으므로, 비교적 신뢰도가 높은 안전측인 값을 제시하고 있다. (Korea Rail network Authority, 2013) 그러나, 터널굴착 시와 운행중인 도로 및 철도교통에 의해 발생하는 진동에 대한 상호 비교연구는 이루어지지 않았다.
본 연구에서는 공용 중에 있는 도로 및 철도시설에 의한 발생진동을 정량적으로 산출하여 터널굴착에 의한 값들과 비교 연구하였다.
Fig 1. Plan view of Seoul Metropolitan Rapid Transit Railway A line(GTX-A)
2. 터널굴착에 따른 발파진동 예측방법
터널 굴착방법에는 인력굴착, 발파굴착 및 기계굴착이 있다. 그리고 기계굴착 방법에는 쇼벨(Shovel), 브레이커(Breaker), 로드헤더(Road header) 등의 중장비 기계굴착과, 터널 전단면을 면판형태로 굴착하는 TBM(Tunnel Boring Machine) 굴착 및 유압장비를 이용하여 암반을 인장파괴 시키는 암파쇄 무진동기계굴착 등이 있다. 이러한 기계굴착은 일반적으로 무진동/무소음 공법으로 분류된다. 하지만, 지반을 굴착하는 데 소음과 진동이 전혀 발생하지 않는 경우는 없다. 단지, 그 정도의 차이가 있을 뿐이다. 기계굴착을 무진동/무소음 공법이라고 하는 것은 발파굴착과 대비해서 발생소음과 진동이 매우 적다는 의미로 해석된다. 본 연구에서는 기존의 연구사례와 실측사례들을 분석하여 개별 굴착방법별 발생진동을 정량적으로 산출하여 비교토록 하였다.
2.1 발파굴착에 의한 발생진동 예측방법
실시설계단계에서 발파굴착 시 발생하는 진동과 소음을 예측하는 하는 방법은, 시추공시험발파를 통한 추정식을 도출하여 시행하는 것이 원칙이며, 시험발파를 수행하기 어려운 경우에는 발주기관의 제시(안)이나 기존 연구사례 인용이 가능하다. 수도권광역급행철도 A노선(GTX-A) 민자투자사업 실시설계(2019)에서는 8개소의 시추공시험발파를 수행하였으며, 그 결과는 Fig 2∼Fig 3와 같다.(SG Rail co., ltd., 2019) 그 결과를 분석해 보면 인접구간의 실규모시험발파와 유사하며 보수적인 값으로 나타났다. 국토교통부 제안식보다는 보수적이며 안전측값으로 나타나, 본 연구에 적용하기로 하였다.
Fig 2. Vibration calculating formula by borehole blasting tests (GTX-A line)
Fig 3. Vibration equation VL[㏈(V)] and V(cm/s) by borehole blasting tests (GTX-A line)
2.2 암파쇄 무진동기계굴착에 의한 발생진동 예측방법
일반적으로 무진동굴착은 진동이 발생하지 않는다고 보고 있다. 그러나, 무진동굴착은 대구경의 천공작업과 유압을 이용한 할암작업이 주된 공종으로, 이러한 작업은 소정의 진동과 소음을 유발하고 있다. 터널 내부 작업에 의해 발생하는 소음은 지상부에서는 거의 문제가 되지 않는다. 터널상부의 지반이 두터운 방음벽 역할을 하기 때문이다. 무진동기계굴착 시의 발생진동 예측은 기존 연구사례를 인용하여 다음과 같이 적용 가능하다.(NEDRC, 2007)
Table 1. Vibration level measurements for standard distance by construction equipment (NEDRC, 2007)
터널에 통상적으로 적용되는 무진동굴착은 360㎜이상의 대구경무장약공을 이용하므로, Table 1에서 “Foundation work/Drlling machine/Running”의 거리별 진동도를 본 연구에 적용토록 하였다.
2.3 TBM굴착에 의한 발생진동 예측방법
일반적으로 TBM굴착은 진동이 발생하지 않는다고 보고 있다. 그러나, TBM굴착은 다수의 비트가 장착된 터널 전단면 크기의 대형면판으로 지반을 분쇄하는 기계굴착 작업으로, 이로 인해 소정의 진동과 소음을 발생시키고 있다. 터널 내부 TBM굴착 작업에 의해 발생하는 소음은, 지상부에서는 거의 문제가 되지 않는다. (터널상부 지반이 두터운 방음벽 역할을 하기 때문이다.) 또한, TBM굴착 작업지점(진동원)에서 발생진동을 직접 측정한 사례는 거의 없다. 국내・외 연구사례는 대부분 일정 심도의 지하에서 TBM굴착이 진행되는 가운데 지상부에서 진동을 측정한 사례들이다. 미국 New Jersey주의 “Access to the Region’s Core”프로젝트의 최종환경영향보고서(FEIS, 2008)에는 다양한 직경과 지반조건별 TBM굴착 시, 지상부에서 측정한 진동 측정치들을 수록하고 있다. (Table 2)
Table 2. TBM Vibration levels (FEIS, 2008)
국내의 경우 “서울지하철 921공구 공사에 따른 방이동 몽촌토성 공사영향평가((사)한국구조물진단유지관리공학회, 2010. 8)”에서는 수치해석을 통하여 TBM굴착시의 발생진동을 예측한 결과, 진동예측치는 0.02㎝/sec(이격거리 15.12m)이하로 허용기준 진동속도(0.2㎝/sec)보다는 현저히 낮을 것으로 예측되었다. (Fig 4)
“TBM/NATM 병용공법의 효용성 평가연구(한국건설기술연구원, 1994.12)”에서는 TBM굴착시 굴착면으로부터 다양한 이격거리에 대한 진동속도 값을 연구하였다. 커터헤드로부터 약 1m 떨어진 거리에서 발생진동은 최대 약 0.15㎝/sec이하로 나타났다. (Fig 5)
Fig 4. Vibration velocity and displacement distribution (KSMI, 2010)
Fig 5. Relationship between TBM mechanical vibration and measurement distance (KICT, 1994)
따라서, 기존의 연구사례들을 종합검토한 결과, TBM 기계굴착 시의 발생진동 예측은 기존 연구사례를 인용하여 다음과 같이 적용 가능하다.(NEDRC, 2007)
3. 공용 중인 도로 및 철도교통의 발생진동 예측방법
교통시설 중에 진동 및 소음 발생원은 도로 및 철도 교통이 그 대표적이라 할 수 있다. 도로 교통은 대부분 지상교통으로 진동뿐만 아니라 소음원으로도 큰 역할을 하고 있다. 소음 공해에 대해서는 방음시설을 다양한 형태로 설치하여 관리하고 있으며, 본 연구는 상대적인 진동영향을 비교검토하는 것이므로, 소음에 대한 분석은 생략토록 한다. 또한, 도로 교통은 승용차와 같은 소형차 운행 시와 버스나 덤프트럭과 같은 대형차 운행 시에 따라 발생진동의 차가 크게 달라지는 특징이 있다. 철도교통의 경우 차량의 종류 및 운행속도별 영향이 크다고 할 수 있다. 특히, 지하철(전철), 국철(국선철로) 및 KTX에 따라 발생진동의 차가 크게나므로 이를 고려토록 한다.
3.1 도로교통에 의한 발생진동 예측방법
공용 중인 도로교통에 의한 발생진동 측정에 관한 기존 연구로는, 차량종류 및 거리별 속도 실측치로부터 발생진동 예측식을 제시한 사례가 있다. (Woo, K,J) 이 연구에서는 차량을 대형, 중형, 소형으로 구분하고, 진동원으로부터 5, 10, 15m 이격하여 진동치를 측정하고, 아울러 차량의 속도를 측정하였다. 그 결과 얻어진 차량종류별, 이격거리별 진동예측식을 제시하였다. (Table 3)
Table 3. Vibration prediction formula for road vehicles (Woo, K,J, 1999)
상기 연구결과에 따르면, 차량 속도가 증가 되면 진동 크기가 증가되는 것으로 나타났다. 차량속도와 최대 진동레벨 관계를 회귀분석을 실시하였다. 회귀분석도구는 증가양상을 기준으로 하여, 선형 1차 다항식(Linear), 비선형 2차 다항식(Quadratic), 비선형 3차 다항식(Cubic)으로 분석하여, 상관계수가 가장 높은 함수를 선택토록하였다. (Fig 6)
Fig 6. Regression analysis tools (Woo, K.J, 1999)
주행차량의 평균속도는 통계청 자료를 인용하여 22.6km/h를 적용하였다. (대중교통현황조사 : 주요노선 운행 및 이용현황, 수도권) (NSO, 2020)
본 연구에 인용한 도로교통에 의한 진동예측식은 대형차량(15m이격거리)에 대한 식을 적용하였다. 도로교통의 주된 발생진동은 대형차량에 의한 것이며, 도로 연도변 건물과의 이격 실거리는 약15m로 나타났기 때문이다.
여기서, Y는 해당 지점의 진동레벨[㏈(V)], X는 해당차량의 운행속도(km/h)이다.
3.2 철도교통에 의한 발생진동 예측방법
공용 중인 철도교통에 의한 발생진동 측정에 관한 기존 연구로는, 한국철도시설공단에서 시행한 『철도 소음․진동 저감대책 수립을 위한 영향예측 방안 연구 (2013.11)』가 있다. 이 연구에서는 전철선로(지하철), 국철선로, KTX선로를 구분하여 실제 측정 및 비교연구를 통하여 발생진동 예측식을 제시 하였다. 또한, 토공구간, 교량구간 및 터널구간으로 구분하여 각 철도차량별 실제 발생진동을 측정하였다. 상기 연구를 통하여 얻어진 구조물별/철도차량별 발생진동 예측식을 제시하였다. (Table 4)
본 연구에서는 도심지 철도선로가 대부분 전철선로에 해당되므로, 상기 연구의 전철선로(지하철)에 관한 진동예측식을 인용하도록 하였다. 전철선로에 관한 식은 국철선로에 대한 진동식 대비 보수적이며 안전측으로 나타났기 때문이다.
여기서, VL는 해당 지점의 발생진동레벨[㏈(V)] 예측치, D는 철도차량으로부터 보안물건까지의 이격거리(m)
Table 4. Vibration prediction formula for railway vehicles (KNR, 2013)
Fig 7. Relationship between railway vibration and measurement distance (KNR, 2013)
4. 주요구간 발생진동 비교 검토
터널굴착(GTX-A)에 따른 발생진동과 공용중인 도로 철도교통에 의한 발생진동을 상호 비교분석하기 위하여, 수도권광역급행철도 A(GTX-A) 노선대의 주요 지점 4곳에 대한 발생진동을 정량적으로 산출하여 비교 검토하였다.
4.1 운정∼대곡구간(시공1∼3공구) [대곡정거장 구간, 운기(현)13km580]
대곡정거장(대단면터널정거장) 구간은, 기존 경의선 대곡역, 지하철3호선 대곡역 하부구간이며, GTX-A노선이 환승토록 계획되어 있다. 농경지 구간으로 보안물건이 거의 없으며, 가옥(식당) 1채가 보안물건에 해당된다.
Fig 8. Digram of vibration effects for Daegok station section
Table 5. Vibration prediction for Daegok station section by excavation, road and railway
대곡정거장 구간 분석 결과, 일반발파 및 제어굴착(CB1∼CB4)의 발생진동이 모두 허용기준 이내로 예측되었다. 무진동기계굴착(N)의 발생진동은 허용기준의 1/2500이하, TBM굴착은 1/2857이하로 매우 미소할 것으로 예측되었다. 인근 도로교통(중앙로)의 발생진동도 허용기준 이내로 예측되었다. [대형차량(버스 또는 덤프트럭) 기준] 인근 철도교통(지하철3호선)의 발생진동도 허용기준 이내로 예측되었다. 따라서, 해당구간은 발파굴착으로도 충분한 진동제어가 가능할 것으로 분석되었다.
4.2 대곡∼연신내구간(시공3∼4공구) [연신내정거장 구간, 운기(현)23km540]
연신내정거장(대단면터널정거장) 구간으로, 기존 지하철 6호선 및 3호선 연신내역 하부구간이며, GTX-A노선이 환승토록 계획되어 있다. 도심지 구간으로 보안물건이 다수 분포하며, 신한은행 빌딩, 세븐스튜디오 상가 등이 좌,우측으로 위치하고 있다.
Fig 9. Digram of vibration effects for Yeonsinnae station section
Table 6. Vibration prediction for Yeonsinnae station section by excavation, road and railway
연신내정거장 구간 분석 결과, 일반발파 발생진동은 허용기준을 초과하고, 제1∼4단계 제어굴착(CB1∼CB4)은 허용기준 이내로 예측되었다. 무진동기계굴착(N)의 발생진동은 허용기준의 1/1052이하, TBM굴착은 1/1176이하로 매우 미소할 것으로 예측되었다. 인근 도로교통(통일로)의 발생진동은 허용기준을 크게(약9배) 초과할 것으로 예측되었다.[대형차량(버스 또는 덤프트럭) 기준] 인근 철도교통(지하철3호선)의 발생진동은 허용기준보다 미소할 것으로 예측되었다. 따라서, 해당구간은 발파굴착으로 충분한 진동제어가 가능할 것으로 예측되었다. 또한, 해당구간은 인근 도로교통에 의한 상시진동이 허용기준을 크게 초과하고 있으므로, 터널굴착의 영향은 상대적으로 미소할 것으로 판단되었다.
4.3 연신내∼서울역구간(시공4∼5공구) [서울역정거장 구간, 운기(현)32km850]
서울역정거장(대단면터널정거장) 구간으로, 기존 지하철 1호선, 4호선, 공항철도 및 경의선 서울역 하부구간이며, GTX-A노선이 환승토록 계획되어 있다. 대도심지 구간으로 보안물건이 매우 발달해 있으며, 서울스퀘어, 구서울역사 및 남대문경찰서 등의 건물이 좌우측으로 위치하고 있다.
Fig 10. Digram of vibration effects for Seoul station section
Table 7. Vibration prediction for Seoul station section by excavation, road and railway
서울역정거장 구간 분석 결과, 일반발파 및 제1∼4단계 제어굴착(CB1∼CB4)의 발생진동은 모두 허용기준 이내로 예측되었다. 무진동기계굴착(N)의 발생진동은 허용기준의 1/3000이하, TBM굴착은 1/3333이하로 매우 미소할 것으로 예측되었다. 인근 도로교통(한강대로)의 발생진동은 진동레벨 예측치가 허용기준을 초과할 것으로 예측되었다.[대형차량(버스 또는 덤프트럭) 기준] 인근 철도교통(지하철4호선, 당고개쪽)의 발생진동은 허용기준 이내로 예측되었다. 따라서, 해당구간은 발파굴착으로 충분한 진동제어가 가능할 것으로 예측되었다. 또한, 해당구간은 인근 도로교통에 의한 상시진동이 허용기준을 초과(진동레벨 기준)하고 있으므로, 터널굴착의 영향은 상대적으로 미소할 것으로 분석되었다.
4.4 서울역∼삼성구간(시공5∼6공구) [7호선 청담역 하부통과 구간, 운기(현)41km965]
청담역(7호선, 대단면개착박스) 하부통과 구간으로, 기존 7호선 청담역 하부를 복선터널 통과하도록 계획되어 있다. 대도심지 구간으로 보안물건이 다수 분포하고 있으며, 청담 푸르지오, 삼익아파트, 청구아파트 및 경기고교 등의 주거 및 교육 시설들이 위치하고 있다.
Fig 11. Digram of vibration effects for 7 Lne Cheongdam station section
Table 8. Vibration prediction for 7 Lne Cheongdam station section by excavation, road and railway
청담역 7호선 하부통과 구간 분석결과, 일반발파 및 제1∼4단계 제어굴착(CB1∼CB4)의 발생진동은 모두 허용기준 이내로 예측되었다. 무진동기계굴착(N)의 발생진동은 허용기준의 1/2500이하, TBM굴착은 1/3000이하로 매우 미소할 것으로 예측되었다. 인근 도로교통(영동대로)의 발생진동은 허용기준을 크게(약3.4배) 초과할 것으로 예측되었다. [대형차량(버스 또는 덤프트럭) 기준], 인근 철도교통(지하철7호선)의 발생진동은 허용기준 이내로 예측되었다. 따라서, 해당구간은 발파굴착으로 충분한 진동제어가 가능할 것으로 예측되었다. 또한, 해당구간은 인근 도로교통에 의한 상시진동이 허용기준을 크게 초과하고 있으므로, 터널굴착의 영향은 상대적으로 미소할 것으로 분석되었다.
5. 결 론
시공 중인 수도권광역급행철도 A라인에서 철도노선이 주거 및 상업시설 하부를 통과함에 따라, 많은 민원이 제기되고 있으며 주민들의 막연한 불안감에 의한 “철도건설 반대” 여론이 조성되고 있는 실정이다. 이에, 본 연구에서는 수도권광역급행철도(GTX-A) 터널굴착에 따른 발생진동치와 공용중인 인근 도로 및 철도 교통에 의한 발생진동치를 정량적으로 산출하여 비교 검토를 수행하였다.
1. 본 과업 구간 중 정거장 및 기존 상업/주거지역에 가장 근접한 4개소의 대표단면을 선정하여 검토하였다.
2. 분석결과, 보안물건과 이격거리가 약60m이내의 경우에는 제1∼4단계 제어발파굴착 (CB3 ∼CB4)으로 발생진동이 허용기준을 만족할 수 있었으며, 이격거리가 약60m이상의 경우 에는 일반발파(B) 및 제1∼4단계 제어발파굴착(CB1∼CB4)의 발생진동이 모두 허용기준 을 만족하였다.
3. 따라서, 본 검토구간은 발파굴착으로 충분한 진동제어가 가능하여, 발파굴착의 적용이 가능할 것으로 분석되었다.
5. 인근 도로교통의 상시 발생진동은 0.0∼1.936㎝/s로, 허용기준(0.3㎝/s)을 크게(약 0∼6.5배) 초과하였다. [대형차량(버스 또는 덤프트럭) 기준] 지상의 도로교통과 이격거리가 30m이내인 경우에는 허용기준을 초과할 가능성이 큰 것으로 예측되었다.
7. 따라서, 본 검토구간은 전반적으로 도로교통에 의한 상시진동이 허용기준을 크게 초과하고 있으므로, 터널굴착의 영향은 상대적으로 미소할 것으로 예측되었다.
8. 또한, 철도건설에 대한 주민들의 막연한 불안감은 터널굴착에 따른 심리적인 불안요인이 큰 것으로 판단되며, 생활지역 주변도로에 의한 상시 발생진동이 터널굴착에 의한 진동보다 대체로 크게 발생되고 있으므로, 수도권광역급행철도 건설에 따른 주민들의 실제적인 추가피해는 거의 없을 것으로 분석되었다.
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21. Son, J.I. (2017), “A Study on criterion and methodology for the management of Shield TBM advance”, Dept. of Civil & Enviroment Engineering., The graduate school, Korea Uni., pp. 1-40.
22. Korea Engineering Consultants Corp. (2017), “A Study on the Effect of Vibration on the Upper Private House of Sindae Tunnel during Railway Operation(Icheon-Mungyeong Railway Construction 7th District)”, Korea Engineering Consultants Corp, pp. 3-5.
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