지반 굴착 시 흙막이 공법을 선정하실 때에는 사전 조사를 철저히 수행하시고, 그 결과를 분석하신 후 가시설에 큰 영향을 미치는 토압, 수압, 인접 구조물 침하 등을 종합적으로 고려하여 형식을 선정하시는 것이 바람직합니다.
그러나 최근 진행 중인 T/K 기본 및 실시설계와 민간투자사업 부문에서는 안전사고를 무시한 채 최저가 가시설을 추구하는 방향으로 설계가 변화하고 있으며, 이로 인해 각종 지장물과 연도변 건물에 대한 안정성 고려 없이 붕괴 직전 수준의 설계를 추진하는 경향이 있어, 가시설 설계자 입장에서는 큰 부담으로 작용하고 있는 실정입니다.
이러한 상황은 매우 위험한 결과를 초래할 수 있으므로, 기술자로서의 양심을 지키며 경제적이면서도 안전한 설계를 위하여 정확한 분석 결과에 기반한 설계가 적용될 수 있도록 함께 노력해 주시기 바랍니다.
구조물 계획의 초기 단계에서부터 시공까지의 전 과정에서 해당 구조물이 어떤 형식으로 적용되는지를 검토하시고, 설계 방향 및 시공성을 고려하여 명확하게 계획하시는 것이 필요합니다. 흙막이 벽체를 가시설로 이용하시거나, 영구적 차수벽 형태인 지하연속벽 등을 적용하실 경우에는 해당 구조물의 안정성뿐만 아니라 주변 영향에 대한 평가도 철저히 수행하신 후, 정확한 자료에 기반하여 설계하셔야 합니다.
특히 연약지반 지역, 지하 매설물이 많은 지대, 건물이 밀집한 도심지역, 지형의 굴곡이 심한 지역은 설계상 많은 문제점이 예상되므로, 설계 시 아래와 같은 사항을 검토하시는 것이 좋습니다:
1. 지형, 지질 및 토질이 선택된 공법과 부합하는지 여부 및 문제점 분석
2. 암반 굴착과 흙막이벽 시공 시 발생하는 진동과 소음의 영향
3. 암반을 포함한 지층 상태와 지하실 깊이와의 관계
4. 정확한 토질 설계 정수를 추정하기 위한 실내 역학 시험
5. 인근 구조물의 특징, 종류 및 지하 매설물의 위치 파악
6. 토질 특성에 알맞은 흙막이 형식 적용
7. 시공 난이도 및 경제성 (주변 과잉 침하 시 손해배상 포함 고려)
8. 지지 부재(버팀대, 어스앵커, 영구 슬래브 등)의 선택 및 배치 방법
9. 굴착 깊이 및 흙막이 벽체의 근입 깊이 설계 (지지층 및 불투수층 연장 검토 포함)
10. 토압 선정 방법 (주변 구조물 하중 포함 고려)
11. 벽체의 허용 응력 (단기 및 장기 강도 고려)
12. 지하벽 거동에 따른 토압 변화 예측 (지지체 및 벽체 강성, 선행 하중 영향 포함)
13. 계절별 지하수위 변화 및 최대 하중 상태 예측 (간극수압 및 오염원 유입 포함 분석)
14. 설계 모델 선정 (탄성 또는 탄소성 설계법)
1. 지형 판단
공사를 착수하시기 전에 원지형을 충분히 파악하시고, 흙막이 구조물을 시공하였을 경우 해당 지형에 어떤 영향을 미치는지 검토하셔야 합니다.
2. 인접 구조물의 유무
주변에 건축물 등의 구조물이 존재하는 경우, 해당 구조물의 위치, 기초 구조, 건축 한계 등에 대해 사전에 조사해 두셔야 합니다.
3. 지형 고저차
지형에 고저차가 있어 평지와는 다른 조건으로 시공하게 되는 경우에는, 설계 및 시공 시 현장 조건을 충분히 고려한 방법을 강구하셔야 합니다.특히 널말뚝 방식을 적용하는 경우에는 시공 범위가 수중에까지 미치는 사례도 있으므로, 하상 및 해저의 경사나 기복 등에 따른 흙막이 구조물의 영향을 함께 고려하셔야 합니다.
4. 자재 운반로의 유무흙막이 구조물은 본 구조물보다 선행하여 시공되므로, 시공 규모에 따라 본 구조물 공사와 동일한 수준의 장비와 자재를 사용하게 됩니다. 따라서 현장까지의 운반 경로, 현장 내 운반 경로, 도로 폭원, 곡선부 상태, 교통량, 교량의 제한 하중, 통행 규제 유무 등을 충분히 조사하셔야 하며, 해상 운반이 필요한 경우에는 취항의 난이도나 제한 조건까지도 함께 고려하시는 것이 바람직합니다.
또한, 현장 내에서는 트래피커빌리티(Trafficability) 상태 역시 조사해 두시는 것이 좋습니다.
흙막이 구조물의 설계에 필요한 지질 및 토질 조사는 본 구조물과 함께 실시하시는 것이 일반적이며, 이러한 자료를 참고하여 계획 및 설계가 이루어집니다. 그러나 필요에 따라 본 구조물과는 중점이 다른 경우가 발생할 수 있으며, 별도의 관점에서의 조사가 필요한 경우도 있으므로 이에 유의하셔야 합니다.
엄지말뚝 방식과 널말뚝 방식에서는 지표면 가까운 지층의 역학적 성질, 지하수의 높이, 지하수량 등이 중요한 반면, 본 구조물에서는 지지층의 역학적 성질이 더욱 중요합니다. 특히 연약지반에서는 지질 및 토질의 역학적 성질을 파악하는 데 필요한 조사를 철저히 수행하셔야 하며, 유사 지반에서의 시공 실적도 함께 참고하시는 등 충분한 배려가 필요합니다.
일반적으로 지질 및 토질 조사 시 필요한 항목은 다음과 같습니다:
1. 지표 가까운 지층의 지내력
2. 지하수위의 높이 (장기 지하수위 포함)
3. 굴착 예정 흙의 공학적 성질
4. 지하수량
주변 구조물의 조사 및 검토는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 하나는 민가, 학교, 병원 등 민간 건축 구조물이며, 다른 하나는 교대, 교각, 옹벽 등 기존 구조물입니다.
민간 건축 구조물에 인접하여 시공하실 경우, 해당 구조물이 위치한 지질 및 기초 구조에 대한 조사와 함께, 흙막이 구조물 시공 중 또는 시공 후에 문제가 발생하지 않도록 대비하셔야 합니다. 만약 문제가 발생할 경우, 인과관계가 명확히 드러날 수 있도록 사전에 충분한 조사 및 검토가 이루어져야 합니다.
기존 구조물에 인접하여 시공하실 경우, 해당 구조물이 어떻게 설계되고 시공되었는지, 현재 어떤 상태인지에 대한 조사가 선행되어야 하며, 흙막이 구조물이 기존 구조물에 미치는 영향에 대해서도 충분히 고려하셔야 합니다.
조사 시 기본적으로 다음의 내용을 포함해 주시는 것이 좋습니다:
1. 기초의 근입 깊이
2. 교량 및 건물의 기초 형식
3. 흙막이 구조물과 기존 구조물 간의 간격 및 상호 관계
4. 하중의 상호 영향
5. 흙막이 구조물의 안정성에 영향을 줄 수 있는 범위의 지반 특성
6. 공사로 인해 지하수위가 저하될 경우, 주변 지반의 압밀 침하 정도
흙막이 구조물의 설계 및 시공과 관련된 조사 항목 중에서, 시공환경에 대한 검토는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 특히 오늘날에는 시민의 민주의식 향상에 따라 환경 보전 대책이 필수적으로 요구되므로, 이에 대해 충분한 조사와 검토를 사전에 수행해 주셔야 합니다.
시공환경에 대한 주요 조사 항목은 다음과 같습니다:
1. 지하 매설물
가스관, 광역 상수도관, 전선관 등 지하에 매설된 시설물의 위치를 정확히 파악하셔야 하며, 중요한 매설물의 경우에는 GPR 탐사(Ground Penetrating Radar) 등을 활용하여 위치, 규모, 구조, 노후도 등을 조사해 주시기 바랍니다. 조사 결과를 바탕으로 보안 대책을 수립하고, 해당 매설물의 소유주나 관계 기관과 사전 협의를 통해 인식 공유가 필요합니다.
2. 소음 및 진동 등의 규제를 포함한 시공 조건
주변 건물의 특성에 따라 소음이나 진동이 엄격히 규제되는 경우, 말뚝의 타설이나 인발이 불가능할 수 있으며, 공사 주변에 대형 건설 장비를 반입할 수 없는 현장도 있을 수 있으므로, 이에 대한 조건을 사전에 충분히 조사하셔야 합니다.
이러한 제약 조건을 고려하여 시공 전에 공법을 선정하실 수 있도록 검토하셔야 하며, 소음규제지구의 경우에는 환경 영향 평가 결과를 기준으로 설계에 반영하셔야 합니다.
해석을 통해 가시설 구조적 안정성을 검토하실 때, 기술적 능력을 바탕으로 다음과 같은 사항들을 반드시 고려해 주시기 바랍니다. (해당 내용은 저자의 설계 경험을 바탕으로 정리된 자료입니다.)
1. 지반 물성치 (γt, γsat, C,ϕ, Kh)
지반조사 결과에 따른 지반 물성치를 적용하되, 지반반력계수 Kh는 다음 2가지 식의 평균값을 적용하시는 것이 현장 조건과 근접한 결과를 얻을 수 있어 많이 활용되고 있습니다:
- Hukuoka 공식: Kh = 0.691N^0.406
- 구조물 설계 기준: Kh = N/5
2. 측벽 파일 종류별 적용 공법
다음과 같이 공법별로 최대 설치 간격 등을 고려해 경제적인 설계를 수행하실 수 있습니다:
- H-Pile + 차수공법 : C.T.C 2.0m
- C.I.P + H-Pile + LOAD 차수공법 : C.T.C 1.8m
- Sheet Pile + 수팽창성 지수재 : 연약지반에서는 진동 해머, 풍화암 이상에서는 워터젯 또는 오거+T4 비트 적용
- S.C.W + H-Pile : C.T.C 1.8m, 자갈층이 3m 이상이거나 자갈 크기가 8cm 이상일 경우 시공이 어려움
- D-Wall : 자갈층이 3m 이상 또는 자갈 크기가 10cm 이상일 경우 시공 곤란
- C-Ⅲ 공법 : 별도의 차수 공법 불필요
- Slurry Wall: Slurry Wall의 경우 트렌치 안정성과 벽체 구조 검토 필수
※ 각 발주처에서 시행하는 프로젝트의 경우, 연약지반이거나 하천·강 인접 구간은 반드시 차수공법 및 벽체 형성 공법을 적용하시어 안전사고를 예방하시기 바랍니다.
3. 버팀보 강축지간 및 수평 간격
버팀보 강축지간은 중간파일과 중간파일, 측벽파일과 중간파일, 측벽파일과 측벽파일의 횡간격을 말합니다.
4. 어스앵커 구성
- 어스앵커 가닥 수 및 수평 간격은 측벽파일 C.T.C와 동일하게 적용하셔야 합니다.
- 터널 갱구부의 경우, 천단부와 중첩성 및 안정성을 고려하여 설치각도를 10~30도로 적용하실 수 있습니다.
- 앵커 1가닥 단면적: 98.71㎟ / 단위 무게: 0.774 kg/m
- 자유장은 지반 파괴각 + 1.5m, 정착장은 최대 5~10m 이내
※ 어스앵커 천공경
- 4가닥 ~ 6가닥 𝛟 105~115mm ≒ 105mm
- 7가닥 ~ 8가닥 𝛟 125~135mm ≒ 135mm
- 8가닥 ~ 10가닥 𝛟 135~150mm≒ 150mm
5. 록볼트
공사용 장비 및 트럭의 원활한 통행과 경제적인 설계를 위해 단차적으로 설치하며, 연암 이상에만 적용하시고, 연속 3단 이상은 구조적으로 불안정하므로 피하셔야 합니다.
※ 록볼트 길이별 천공경
- 4m 이내 (D25) : Ø 38mm
- 4m 이내 (D29) : Ø 45mm
- 4m 이상 : 슬리브(규격 45mm) 연결 시 Ø 51mm
- 4m 이상 : Ø 65mm
6. 하중
- 상재하중 : 도로교 기준: 1.0t/㎡ + 작업하중: 0.5t/㎡
- 건물하중 : 파괴각 내 이격거리 및 깊이에 따른 등분포 하중
- 철도하중 : 파괴각 내 철도 이격거리에 따른 상재하중 + 진동 하중
- 사면 경사 하중 : 파괴각 내 지표면 경사각 하중
7. 토압 적용 방법
- RANKINE 토압, PECK 토압의 적용 여부를 검토해 주시기 바랍니다.
8. 지하수위 (정수압, 침투수압)
- 시공 기간이 1년 이상인 구간에서는 용탈현상이 없는 차수공법을 적용하시는 것이 바람직합니다.
- 연약지반에는 Sheet Pile + 수팽창성 지수재 공법이 경제적이며, 다른 공법 적용 시에는 치환공법 또는 고압분사식 공법 적용이 요구됩니다.
- 염해 구간에서는 규산소다와 나트륨의 반응으로 인해 시멘트와의 결합력이 저하되어 차수효과가 떨어지므로 특히 유의하셔야 합니다.
9. 구조물 단계별 해체 시 검토 사항
- 시공 단계별 구조물 해체 시 구조적 안정성 확보를 위한 검토가 필요합니다.
지반 굴착 및 흙막이 공사는 ‘조사 → 계획 → 시공’의 순서로 진행되므로, 사전 조사 및 각종 분석 결과를 바탕으로 가시설 공법을 선정하고 계획함으로써, 보다 안전하고 경제적인 가시설이 될 수 있도록 하셔야 합니다.
설계자께서는 최적의 시공을 고려한 통합적 시야를 가지고 현장을 리드하셔야 하며, 설계 시에도 그러한 관점을 반영하여 적용해 주시는 것이 필요합니다.
또한, 현장을 직접 관찰하고 흙을 직접 만져보는 기술자로서, 시공 공정을 고려한 장비 및 자재 투입 계획을 수립하시고, 정확한 지반 특성을 파악하여 설계에 반영하시는 것이 진정으로 경제적이고 안전한 설계로 이어질 수 있습니다.
물론, 최근에는 경제성을 강조하며 비용을 절감한 설계가 요구되는 경우가 많지만, 단순히 값싼 설계보다는 안전성과 경제성을 동시에 확보한 설계가 훨씬 더 바람직합니다.
기술자 여러분께서도 퇴근 후 집에 돌아가 편안한 마음으로 주무실 수 있는 설계, 즉 안전과 윤리를 담보한 책임 있는 설계를 하실 수 있도록 모두 함께 항상 노력해 주시기를 부탁드립니다.
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본 글은 [가시설 구조물]의 총 4개 시리즈 중 첫 번째 내용입니다.
1. 가시설을 안전하고 경제적인 설계로 계획하는 방법
✅ 2. 토류벽 공법의 지반조건별 적용방법
✅ 3. 차수공법의 지반조건별 적용방법
✅ 4. 복공판의 계획
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💡연관된 글 → GeoXD를 활용한 가설 흙막이 설계 및 구조검토