Construction Sequence Optimization for Diaphragm Wall Obstruction Removal Using a Horizontal Full-Rotation Drilling Rig

기술 요약: 다이아프램 벽체 장애물 제거를 위한 시공 순서 최적화

문제 정의
메트로 네트워크가 점점 더 밀집됨에 따라, 기존 역사를 가로지르는 새로운 터널의 필요성이 증가하고 있습니다. 기존의 지지 구조물, 특히 철근 콘크리트 다이아프램 벽체와 H형강 조인트가 쉴드 터널링 경로를 방해할 때 심각한 문제가 발생합니다. 전통적인 제거 방식은 다음과 같은 뚜렷한 한계를 보입니다:

• 인공 지반 동결 및 채굴 굴착 병행: 수분이 많은 지층에서는 효과적이지만, 이 방법은 긴 공사 기간, 높은 비용, 그리고 동결 커튼에 대한 엄격한 품질 관리를 요구합니다. 또한 깊은 수동 파쇄를 포함하므로 상당한 안전 위험을 초고합니다.
• 직접 쉴드 절단: 기술적으로는 가능하지만, 이 방법은 터널 전진 중 철근 콘크리트와 강철 장애물을 집중적으로 파쇄하는 과정을 포함합니다. 이는 흔히 커터의 마모, 급격한 하중 변동, 그리고 상당한 지반 교란을 유발하여 기존 역사 및 주변 지반에 과도한 변형을 유발할 수 있습니다.

따라서 운영 중인 역사 아래의 다이아프램 벽체 제거를 위해 안전성, 효율성, 저교란 제어의 균형을 맞춘 시공법이 필요합니다.

방법론
본 연구는 기존 6호선 역사를 통과하는 항저우 메트로 18호선의 특정 횡단 프로젝트에 초점을 맞춥니다. 저자들은 **수평 전회식 드릴링 리그(Horizontal Full-Rotation Drilling Rig)**를 활용한 새로운 시공법을 제안하고 분석합니다. 공정은 세 단계로 구성됩니다:

1. 스틸 케이싱 삽입: 대구경 케이싱 오실레이터를 사용하여 목표 깊이까지 스틸 케이싱을 압입함으로써 작업 구역을 생성합니다.
2. 수평 장애물 제거: 드릴링 리그가 "다공식 소구경(multiple small-hole)" 패턴으로 다이아프램 벽체를 수평으로 절단하여 콘크리트와 강철 파편을 제거합니다.
3. 케이싱 인발 및 배후 채움: 케이싱을 인발하는 동시에 배후 채움재(예: 시멘트 안정토)를 주입합니다.

이 방법을 평가하기 위해 Midas GTS NX를 사용하여 3차원 유한요소 모델을 구축하였습니다. 모델에는 기존 역사, 다이아프램 벽체, 연속벽(secant piles), 그리고 토사층(Modified Mohr-Coulomb 모델 사용)이 포함되었습니다. 본 연구는 다음 두 방안에 대한 비교 분석을 수행했습니다:

• 방안 A: 다이아프램 벽체의 직접 쉴드 절단.
• 방안 B: 수평 전회식 드릴링 리그를 이용한 장애물 제거.

또한, 본 연구는 다양한 시나리오를 시뮬레이션하여 시공 순서를 최적화했습니다:

• 열 내(Intra-row) 순서: 단일 열 내에서의 상향식(Top-down) 대 하향식(Bottom-up) 드릴링.
• 열 간(Inter-row) 순서: 여러 열에 걸친 좌에서 우로, 우에서 좌로, 그리고 간격(Jump) 건설.

수치 모델은 현장 모니터링 데이터(지반 침하 지점 DBC1–DBC5)를 통해 검증되었으며, 케이싱 삽입, 드릴링, 인발 단계 전반에 걸쳐 침하 경향이 잘 일치함을 보여주었습니다.

주요 기여 및 결과

1. 수평 드릴링 방식의 우수성:
   직접 쉴드 절단과 비교했을 때, 수평 전회식 드릴링 리그는 지반 교란을 크게 감소시킵니다.

• 변형 제어: 기존 역사의 최대 변형은 3.6 mm(쉴드 절단)에서 2.1 mm(드릴링 리그)로 감소했습니다. 다이아프램 벽체의 변형은 3.9 mm에서 2.7 mm로 감소했습니다.
• 교란 구역: 쉴드 절단은 터널 방향을 따라 최대 약 17 mm, 평균 -11.7 mm의 누적 침하 패턴을 유발했습니다. 반면, 드릴링 방식은 최대 침하량이 약 1 mm, 평균 -0.2 mm인 집중된 변형 구역을 나타냈습니다. 변형은 주로 인발 단계에서의 국부적인 융기(heave)로 특징지어졌으며, 이는 이전의 침하를 상쇄했습니다.

2. 시공 순서의 최적화:

• 단일 열 내: 하향식 건설(아래쪽 구멍을 먼저 뚫는 방식)이 상향식 건설보다 약간 더 우수한 것으로 증명되었습니다. 이 방식은 더 작은 지지 말뚝 침하(2.6 mm 대비 2.4 mm)와 수평 변위(1.1 mm 대비 0.8 mm)를 기록했습니다. 이 순서는 상부 지층에 대한 반복적인 교란을 최소화합니다.

• 여러 열 간: 간격 건설(예: A→C→E→G→I→B→D→F→H)이 지지 구조물과 지반에 대해 가장 좋은 전체적인 결과를 냈습니다.

  • 지지 말뚝: 간격 건설은 단방향 순서(좌에서 우 또는 우에서 좌)에 비해 침하(1.38 mm)와 수평 변위(1.53 mm)를 최소화했습니다.
  • 다이아프램 벽체: 간격 건설은 인접 구역의 약화를 방지하여 미제거 구간이 임시 지지 역할을 할 수 있도록 함으로써 다이아프램 벽체 변형(2.47 mm)을 최소화했습니다.
  • 지반 침하: 간격 건설은 가장 낮은 최대 지반 침하(2.68 mm)와 가장 좁은 침하 트러프를 달성했습니다.

  참고: 간격 건설이 지지 구조물과 지반에 최적이었으나, 본 연구는 단방향 순서(특히 좌에서 우로)가 기존 역사의 구조물 자체에 대해서는 약간 더 적은 변형을 유발한다는 점을 언급했습니다. 그러나 간격 방식이 안정성을 위한 최선의 종합적인 타협안으로 간주되었습니다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 방식이 직접 쉴드 절단의 집중적이고 고위험적인 교란을 단계적이고 국부적이며 제어 가능한 과정으로 전환한다고 주장합니다. "다공식 소구경 드릴링, 열별 전진, 그리고 배후 채움을 동반한 케이싱 인발" 모드를 채택함으로써, 이 기술은 건설 안전과 변형 제어 사이의 균형을 효과적으로 맞춥니다.

본 연구의 결과는 다음을 위한 참고 자료를 제공합니다:

• 운영 중인 메트로 역사 아래의 다이아프램 벽체 제거를 위한 적절한 방안 선택.
• 누적 변형 효과를 완화하기 위한 시공 순서 최적화.
• 기존 역사의 취약한 구조 부위에 대한 국부적 보강이 여전히 필요할 수 있음을 인정하면서도, 지지 구조물과 주변 지반을 보호하기 위한 특정 조치(예: 간격 건설 및 하향식 드릴링)의 시행.

본 연구는 수평 드릴링 리그 방식이 지반 교란과 구조물 변형을 줄이는 데 상당한 이점을 제공하지만, 구체적인 시공 순서는 프로젝트의 특정 구조적 및 지질학적 제약 조건에 따라 신중하게 조정되어야 한다고 결론짓습니다.