1. 서 론
최근 도시 내 대형 인프라 구축 사업이 증가함에 따라, 지하공간의 활용은 도시 개발의 핵심 전략으로 자리잡고 있다(Lee et al., 2023). 이에 따라, 도심지역에서 지하 구조물을 설치할 때에는 교통 흐름의 유지, 환경에 미치는 영향의 최소화, 민원 발생 가능성 등을 고려해야 하며, 이러한 배경에서 지표면을 개착하지 않는 비개착공법(Trenchless method)의 활용이 확대되고 있다(Seo & Cho, 2016; Jo et al., 2023). 특히 도로 하부, 교량 기초부, 통로박스 등 기존 주요 구조물이 위치한 지역에서는 지반을 직접 굴착하지 않고도 시공이 가능한 추진관 공법(Pipe jacking method)이 실용적 대안으로 각광받고 있다(Chun et al., 2008). 추진관 공법은 지상 구조물에 영향을 주지 않으면서 매설 구조물을 시공할 수 있는 장점이 있으나, 지반의 이질성, 인접 구조물의 영향, 시공 하중 변화 등 다양한 요인에 의해 시공 중 구조 거동이 유발될 수 있다(Chung et al., 2016). 특히 구조물이 기존 기초 하부를 통과하는 경우, 지반 변형 및 응력 분포의 변화는 지하 시설물뿐 아니라 상부 구조물의 안전성에도 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 현상은 정적 해석이나 단일 시점 해석만으로는 충분히 반영되기 어렵다(Chung et al., 2015). 실제 시공 환경에서는 구조물과 지반 간의 상호작용이 단계별로 변화하기 때문에, 단계적 거동을 반영하지 않은 해석은 과소 혹은 과대 평가의 위험성을 내포할 수 있다. 따라서 구조물의 거동을 보다 현실적으로 예측하고, 구조 안전성을 확보하기 위해서는 시공단계를 고려한 다단계 수치해석이 필수적이다. 이와 같은 해석 방식은 구조물에 작용하는 하중의 점진적인 변화, 지반 강성의 불균일성, 시공순서에 따른 응력 누적 및 분산 효과 등을 반영함으로써, 실제 발생 가능한 변위 및 응력 상태를 보다 정밀하게 파악할 수 있는 장점이 있다(Yao et al., 2024). 또한 구조물의 장기적 내구성 확보, 설계 합리화, 리스크 대응 전략 수립 등 실무적 관점에서도 높은 활용 가치를 지닌다. 비개착공법에 대해 Umbrella arch 공법이 적용된 수치해석적 연구(Lee et al., 2004), 굴착 중 이완토압이 발생 시 지반변형의 회복에 관한 연구(Kim et al., 2012) 등 다양한 연구를 진행하였지만, 시공단계별 지반의 거동을 분석하는 연구는 미흡한 실정이다.
본 연구는 ○○공공주택지구 내 하수관거 매설 구간을 대상으로 추진관 공법 적용에 따른 구조물 거동을 검토하며, 총 7단계의 시공단계와 1단계의 공용단계를 3차원 유한요소해석(FEM)으로 모사하였다. 시공단계별로 발생하는 연직 및 수평변위 거동을 정량적으로 분석하고, 해석 결과를 기준 허용치 및 실측 자료와 비교함으로써, 단계적 해석 접근의 유효성을 입증하고, 향후 유사한 도시 지하공사 설계 시 반영 가능한 기술적 기준을 제시하고자 한다.
2. 분석 현장개요 및 지반조건
2.1 현장개요
본 연구에서 분석한 대상 구간은 공공주택지구 조성사업의 일환으로 시행된 하수관거 설치 구간으로, 비개착공법이 적용된 약 379.5m의 직선 구간이다. 해당 구간은 상부에 간선도로, 통로박스, 교량 기초 등이 복합적으로 혼재된 구조 환경에 위치하며, 기존 구조물의 하부를 관통하는 시공 조건으로 인해 변위 및 응력 분포에 대한 안정성 확보가 필수적인 상황이다. 이러한 이유로 구조물 및 지반에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 세미쉴드(Semi-shield) 방식의 비개착 추진관 공법(pipe jacking method)이 채택되었다. 본 공법은 상부 구조물의 손상 가능성을 줄이면서 지하에 관을 안전하게 설치할 수 있다는 장점을 가진다. 시공 전에는 현장 여건을 반영한 지반조사 및 보링을 통한 조사가 수행되었으며, 이를 통해 총 6개 층으로 구성된 토층과 암반의 특성이 확인되었다. 주요 지층은 표토층, 매립층, 실트질 점토층, 자갈혼합층, 풍화토층, 풍화암층으로 구분되며, 지층별 특성은 표준관입시험(SPT), 코어링, RQD 분석 등의 정량적 시험을 통해 도출되었다. 특히 풍화암층은 RQD가 30~50%, N값이 50 이상으로 측정되어, 현장 조건상 구조물 하중을 지지할 수 있는 양호한 지반으로 판단된다(Hwang et al., 2008).
한편, 본 연구에 적용된 안정성 평가 기준은 국내 도시 지하구조물에 대한 설계 가이드라인과 국토교통부 고시, 그리고 해당 현장의 설계자료를 바탕으로 구성되었다. 수치해석에 반영된 지반정수는 현장 시추조사 결과 및 SPT 결과를 기반으로 설정되었으며, Mohr-Coulomb 탄소성 모델의 입력 변수인 탄성계수(E), 점착력(c), 내부마찰각(ϕ) 등이 지층별로 산정되었다. 특히 풍화토 및 풍화암층의 경우에는 국내외 굴착 자료와 지역 특성에 기반한 경험적 상관식을 반영하여, 해석 시 보다 보수적인 물성값이 적용되었다.
2.2 수치해석 조건
Fig. 1은 전체 해석 모델링 및 비개착 추진관이 설치된 구간의 개략적인 공간구성을 나타낸 것이다. 지반의 층상 구조와 더불어, 관 추진 경로 및 각 구조물(상부도로, 교량기초 등)의 상대적 위치가 3차원적으로 표현되어 있으며, 해석에 사용된 Solid 요소(지반)와 Shell 요소(추진관)의 모델링 방식도 시각적으로 구분되어 있다. 총 7단계의 시공단계와 1단계의 공용단계를 수치해석 모델을 통해 시뮬레이션을 진행하였다.
Table 1은 공공주택지구 내 시추조사 결과를 기반으로 한 각 지층의 물성치를 요약한 것이다. 특히 풍화암층은 고강도 지층으로서 높은 탄성계수와 내부마찰각을 나타내어 추진관 하부 지반의 안정성 확보에 주요한 역할을 하고 있는 것으로 판단된다. 또한 Table 2는 프리스트레스 콘크리트 추진관의 물성치를 나타낸다.
Table 1.
Soil properties for FEM analysis
3. 해석조건
본 연구의 수치해석은 MIDAS GTS NX 프로그램을 이용한 3차원 유한요소해석(Finite Element Method, FEM) 기반으로 수행되었다. 지반은 앞서 도출한 물성값을 반영한 Mohr-Coulomb 탄소성 모델로 구성되었으며, 해석모델의 전체 규모는 폭 30m, 깊이 20m, 길이 약 380m로 설정하였으며, 경계조건은 모델 하부에 수직 및 수평 고정조건(fixed boundary)을 적용하고, 측면은 수평방향 구속조건(horizontal)을 부여하여 실제 시공 조건에 근접하도록 구성하였다. 시공단계는 총 8단계로 설정되었으며, 이 중 초기응력 반영을 위한 Initial 단계 1단계와, 실제 추진관 설치 및 상부 구조물 하중이 반영되는 시공단계와 공용단계로 구분하여 진행하였다. 또한 추진관이 도로 하부를 50m 단위로 순차적으로 통과하는 과정을 구현하였으며, 굴착 → 관 설치 → 상부하중 재하의 순서로 단계별 하중이 적용되었다. 상재하중은 교통하중을 등분포 재하를 통해 고려하였다.
Table 3은 비개착 추진관 시공의 단계별 모델링 과정을 제시한 것이다. 각 단계는 추진두부(jacking head)가 약 50m씩 도로 하부를 통과하는 구간을 순차적으로 모사한 것으로 구성되어 있으며, 마지막 단계는 전체 설치가 완료된 후의 공용 조건을 반영하고 있다. 시공은 굴착 후 굴착 면에 대해 Shell 요소를 설치하여 추진관의 물성치를 부여하는 방식으로 진행하였다. 이러한 단계별 시공 시뮬레이션을 통해 실제 시공 중 발생하는 응력의 분포와 변위 누적 현상 등을 반영하여 현실적으로 반영할 수 있다. 이는 단일 단계만을 고려한 해석에 비하여 구조물 거동의 신뢰성 있는 평가를 가능하게 해주는 접근이다.
Table 3.
Summary of construction stages
Table 4는 본 연구에서 대상 구조물별로 적용한 연직 및 수평변위 허용한계를 요약한 것으로, 관련 설계기준(Architectural Institute of Korea, 2009) 및 기존 도시 지하 매설구조물 해석 연구(Choi et al., 2022; Cho et al., 2023)를 기반으로 설정되었다. 도로포장의 경우 장기 서비스성 유지와 포장 손상 방지를 위해 연직변위 25mm, 수평변위 15mm 이하가 적정 기준으로 제시된다. 교량 기초부의 경우에는 보다 엄격한 조건이 적용되어, 연직변위 20mm 및 수평변위 15mm가 구조물의 기초 안정성을 판단하는 기준으로 사용된다. 추진관의 경우에는 변위에 대한 명확한 규정은 존재하지 않으나, 구조물에 발생하는 응력이 재료의 내하력 범위 내에 존재하는지를 기준으로 안정성을 판단하였다. 이러한 설정은 수치해석 결과의 정량적 검토와 함께, 실계측 자료와의 비교를 통해 모델 신뢰도 향상을 위한 기준값으로 활용된다.
Table 4.
Acceptable displacement criteria
4. 수치해석 결과
시공단계별 수치해석을 수행한 결과, 전체 구조물에 대하여 연직 및 수평변위가 허용기준 이내로 나타나 구조적 안정성이 확보된 것으로 판단된다. 구체적으로, 상부도로의 최대 연직변위는 1.232mm로서 허용한계인 25mm의 약 4.9%에 해당하였으며, 교량 기초부는 0.976mm로 20mm 기준의 4.8%, 추진관은 2.41mm로 30mm 기준 대비 약 8.0% 수준으로 분석되었다. 수평변위 또한 모든 구간에서 15mm 이내로 유지되는 것으로 분석하였다.
단계별 거동을 비교한 결과, 대부분의 구조물에서 최대 변위는 공용단계보다 시공 중간 단계에서 더 작게 나타나는 경향을 보였다. 이는 하중이 일시에 재하되지 않고 시공 순서에 따라 점진적으로 작용함에 따라, 지반 및 구조물이 하중에 점진적으로 적응하며, 응력이 분산된 결과로 해석된다. 이러한 거동은 누적 하중에 대한 구조물의 점진적 반응을 반영하는 것으로, 단일 공용단계 해석만으로는 파악하기 어려운 시공 과정상의 특성을 보다 정밀하게 설명할 수 있다.
Fig. 2와 Table 5는 비개착 추진관 시공단계에서 발생한 연직변위를 상부 도로, 교량 기초, 추진관별로 정리한 결과를 나타낸 것이다. 모든 구조물에서 변위는 허용 기준치의 10% 이하 수준으로 나타나 전체적으로 안정성이 확보되었으며, 특히 시공 단계에서의 변위가 공용 단계보다 작게 나타나는 경향을 보였다. 이는 하중이 단계적으로 재하됨에 따라 지반과 구조물이 점진적으로 안정화되고 응력이 분산된 결과로 해석된다.
Table 5.
Vertical displacement by construction stage
Fig. 3은 비개착 추진관 공법이 적용된 현장에서 단계별 시공에 따라 발생한 수평변위를 구조물 유형별로 비교한 결과를 나타낸 것이다. 분석 대상 구조물은 상부 도로, 교량 기초부 추진관이며, 이들의 최대 수평변위는 각각 0.210mm, 0.165mm, 0.155mm로 측정되었다. 이는 각 구조물에 설정된 허용기준(15mm)에 대해 각각 1.4%, 1.1%, 1.0%에 해당하는 값으로, 기준치의 10%를 크게 하회하는 매우 안정적인 수준으로 평가된다. 이러한 결과는 시공단계에서 하중이 점진적으로 재하됨에 따라 구조물과 지반 간의 상호작용이 효과적으로 분산되었음을 보여준다. 특히, 교량 기초와 추진관의 경우 민감한 구조물임에도 불구하고 최소한의 수평이동만 발생하였으며, 이는 추진하중 및 인접 구조물 하중의 영향이 효과적으로 제어되었음을 나타낸다. 이와 같은 분석 결과는 도심지 매설구조물 시공 시 단계별 수치해석을 통한 수평변위의 정밀 예측이 구조물 안정성 확보에 기여할 수 있음을 보여준다.
Table 6에서는 각 시공단계에 따른 구조물별 수평변위를 정량화하여 제시하였다. 분석 결과, 상부도로는 최대 0.210mm, 교량기초는 0.165mm, 추진관은 0.155mm의 수평변위를 나타냈으며, 이는 모두 허용기준인 15mm 대비 1% 수준으로 매우 낮은 수치이다. 특히 서비스 단계에서도 구조물 간 수평변위 차가 작아, 접합부나 단차 발생 가능성이 낮고 구조물 일체 거동 확보에 긍정적임을 확인할 수 있다.
Table 6.
Horizontal displacement by construction stage
5. 수치해석 및 계측결과 비교
해석 결과의 정밀도 및 현장 적용 가능성을 검토하기 위하여, 실제 시공현장에서 계측된 변위 데이터를 수치해석 결과와 비교하였다. 이를 위해 변위계(VW형)와 변형률계를 활용하여 상부 도로 중앙부, 교량 기초 하단, 추진관 천단의 총 3개 주요 지점을 대상으로 시공단계별 연직변위를 정밀 계측하였다. 자동 계측 시스템을 통해 일일 단위로 데이터를 수집하고 실시간으로 변위 변화를 분석하였다.
비교 결과, 모든 계측 지점에서 수치해석 결과와 실측값 간의 편차는 ±3% 이내로 나타났으며, 전반적으로 양호한 일치도를 보였다. 예를 들어, 상부 도로부 중앙에서의 실측 연직변위는 1.05mm, 수치해석 결과는 1.043mm로 약 0.67%의 편차를 보였으며, 교량 기초 하단에서는 실측 0.95mm 대비 해석값 0.976mm로 약 2.74%의 차이를 나타내었다. 추진관 천단에서도 실측 2.35mm, 해석 2.41mm로 약 2.55% 수준의 차이가 확인되었다.
이와 같은 결과는 제시된 수치해석 모델이 실제 구조물의 거동을 정량적으로 잘 반영하고 있음을 보여주며, 적용된 유한요소해석(FEM) 기법의 신뢰성과 적용 가능성을 평가하는 데 있어 유의미한 근거로 작용할 수 있다.
Fig. 4는 시공단계 중 계측된 실제 연직변위값과 수치해석을 통해 도출된 예측값 간의 비교 결과를 시각화한 그래프이다. 비교 대상은 상부 도로 중앙부, 교량 기초부, 추진관 천단의 세 지점이며, 각 지점에서의 계측값과 해석값 간 편차는 각각 -0.67%, +2.74%, +2.55%로 나타났다. 이와 같은 비교는 해석 모델의 예측 성능을 검토하는 중요한 절차로, 모든 지점에서 두 값 간의 오차가 ±3% 이내로 수렴하였다. 이는 본 연구에서 적용한 FEM 기반 해석 모델이 실제 시공 현장의 구조물 거동을 비교적 정확하게 재현하고 있음을 보여준다.
특히, 변형 민감도가 높은 것으로 판단되는 추진관 천단의 경우, 실측값과 해석값의 차이가 0.06mm에 불과하였으며, 이는 해석 모델의 정밀도가 높은 수준임을 나타낸다. 이러한 결과는 본 해석 모델이 향후 유사한 지반 조건 및 구조 형식에 대한 설계 검토 과정에서도 적용 가능성이 높다는 점을 보여준다.
Table 7은 주요 구조물 위치에서 계측된 연직변위와 수치해석(FEM)을 통해 도출된 예측값 간의 비교 결과를 요약한 것이다. 분석 결과, 모든 지점에서 편차가 ±3% 이내로 나타나 계측값과 해석값 간의 높은 일치도를 보였으며, 이는 본 수치모델의 정밀도 및 실무 적용 가능성을 효과적으로 입증하는 근거가 된다.
6. 결 론
본 연구는 도시 내 공공주택지구 조성공사에서 비개착 추진관 공법이 적용된 시공 구간을 대상으로, 3차원 수치해석을 통해 시공단계별 구조물의 안정성과 공용성 확보 가능성을 정량적으로 검토하였다. 해석 결과, 상부 도로, 교량 기초, 추진관 등 주요 구조물에서 발생한 연직 및 수평변위는 모두 허용기준 대비 10% 이하 수준으로 나타나, 구조물의 거동이 안정적인 범위 내에 있음을 확인할 수 있었다. 특히 시공 중간 단계에서의 변위가 공용단계보다 작게 나타난 점은, 단계별 하중 분산 효과에 따라 응력 집중이 완화되고 구조물 및 지반이 점진적 하중에 적응하며, 안정적인 거동을 보였음을 시사한다.
연직변위 결과는 Fig. 5에 시각화하였으며, 상부 도로(1.232mm), 교량 기초(0.976mm), 추진관(2.410mm)의 최대 연직변위를 각각의 허용기준인 25mm, 20mm, 30mm와 비교한 상대 비율을 나타낸다. 모든 구조물에서 허용기준의 10% 이하 수준의 변위가 발생하였으며, 해당 해석 결과는 Table 8에 수치적으로 정리되어 있으며, 각 구조물의 연직변위가 허용기준 대비 충분한 여유를 보이는 것으로 나타났다.
Table 8.
Summary of displacement results
| Structure | Vertical Disp. (mm) | Allowable (mm) | Ratio (%) |
| Road Deck | 1.232 | 25.0 | 4.9 |
| Bridge Foundation | 0.976 | 20.0 | 4.8 |
| Pipe Jacking | 2.410 | 30.0 | 8.0 |
또한, 해석 결과의 정밀도와 타당성을 검토하기 위해 실제 시공 현장에서 계측한 변위 데이터를 비교 분석하였다. 도로부 중앙부(실측: 1.05mm, 해석: 1.043mm, -0.67%), 교량 기초 하단(실측: 0.95mm, 해석: 0.976mm, +2.74%), 추진관 천단(실측: 2.35mm, 해석: 2.41mm, +2.55%) 모두에서 ±3% 이내의 낮은 오차율을 기록하였다. 이는 적용된 FEM 기반 수치해석 모델이 실제 구조물의 거동을 정밀하게 반영하고 있으며, 현장 적용 가능성 또한 높은 수준임을 보여준다.
결론적으로, 본 연구는 단일 공용단계에 의존하는 기존 해석 접근법의 한계를 보완하고, 시공단계별 수치해석을 통한 안정성 평가의 실효성과 유효성을 확인하였다. 이러한 접근은 도시지하 매설공사 및 복합 구조물 통과 구간에서의 구조 안정성 검토에 유용하게 적용될 수 있으며, 향후 기술 고도화를 통해 보다 정교하고 신뢰성 높은 해석이 가능할 것으로 기대된다. 또한 추가 연구를 통해 강관 추진 시 지반과 강관 사이의 상호작용을 적용하여 강관과 지반의 안정성을 검토하고 지반의 이완영역 분석을 통해 인접지반 침하의 영향성을 검토할 필요가 있을 것으로 판단된다.
