Я настроил службу WCF, размещенную в IIS6, которая использует log4net без проблем, независимо от режима параллелизма. Использование threadContext не должно быть проблемой.
Единственное предостережение: если вы загружаете настройку log4net из внешнего файла в слой WCF, вам может потребоваться перезапустить его в IIS, чтобы получить изменения.