우리나라 지반공학 기술의 발달로 지반굴착 공사가 대규모로 수행되고 있으나, 지반굴착시 공사현장 또는 인접구조물에 직,간접적인 피해를 유발하는 사고는 여전히 빈번히 발생하고 있다. 특히 주거시설이나 상업시설이 밀집해 있는 도심지의 지하터널, 도시철도 역사, 대규모 상업시설, 초고층 빌딩의 기초 공사 등으로 인한 지반굴착관련 사고가 빈번히 발생하고 있어 경제적인 손실 뿐 아니라 인명피해가 발생하여 사회적인 비용이 급속히 증가하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 빈번히 발생하는 개착식 흙막이 굴착관련 사고를 방지하기 위하여 최근 발생한 개착식 흙막이 굴착공사로 인한 다수의 사고 및 인접시설물에 영향을 끼친 사례를 수집, 분석을 수행하여 사고발생 원인에 대하여 고찰하고, 수치해석기법을 사용하여 국내 대표적인 지반조건(내륙, 해안특성) 및 공사공법에 따른 굴착시 영향 분석을 수행하였다. 25건의 사고사례를 분석한 결과, 주요 영향요인으로 지반조사의 부실, 가시설 구조체의 불안정 및 지하수의 처리 미흡 등으로 나타났으며, 이 외 여러 요인들이 복합적으로 작용하여 굴착현장에 문제를 발생시키는 것으로 나타났다. 국내의 대표적인 지반조건 및 시공경향을 고려한 22개의 case에 대한 수치해석결과는 일반적인 내륙지역에서는 차수공법에 비해 배수공법에서 침하가 크게 발생하고, 연약지반 및 암반의 불연속면이 발달한 지역에서는 earth anchor 공법 적용시 면밀한 검토가 필요하며, 압밀이 진행 중인 점토지반에서는 과잉간극수압에 대한 고려가 반드시 필요한 것으로 나타났다.
우리나라 지반공학 기술의 발달로 지반굴착 공사가 대규모로 수행되고 있으나, 지반굴착시 공사현장 또는 인접구조물에 직,간접적인 피해를 유발하는 사고는 여전히 빈번히 발생하고 있다. 특히 주거시설이나 상업시설이 밀집해 있는 도심지의 지하터널, 도시철도 역사, 대규모 상업시설, 초고층 빌딩의 기초 공사 등으로 인한 지반굴착관련 사고가 빈번히 발생하고 있어 경제적인 손실 뿐 아니라 인명피해가 발생하여 사회적인 비용이 급속히 증가하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 빈번히 발생하는 개착식 흙막이 굴착관련 사고를 방지하기 위하여 최근 발생한 개착식 흙막이 굴착공사로 인한 다수의 사고 및 인접시설물에 영향을 끼친 사례를 수집, 분석을 수행하여 사고발생 원인에 대하여 고찰하고, 수치해석기법을 사용하여 국내 대표적인 지반조건(내륙, 해안특성) 및 공사공법에 따른 굴착시 영향 분석을 수행하였다. 25건의 사고사례를 분석한 결과, 주요 영향요인으로 지반조사의 부실, 가시설 구조체의 불안정 및 지하수의 처리 미흡 등으로 나타났으며, 이 외 여러 요인들이 복합적으로 작용하여 굴착현장에 문제를 발생시키는 것으로 나타났다. 국내의 대표적인 지반조건 및 시공경향을 고려한 22개의 case에 대한 수치해석결과는 일반적인 내륙지역에서는 차수공법에 비해 배수공법에서 침하가 크게 발생하고, 연약지반 및 암반의 불연속면이 발달한 지역에서는 earth anchor 공법 적용시 면밀한 검토가 필요하며, 압밀이 진행 중인 점토지반에서는 과잉간극수압에 대한 고려가 반드시 필요한 것으로 나타났다.
In this study, an analysis about the causes of different types of excavation on accidents is required in order to prevent the frequently occurring accidents related to the earth retaining structure and excavation. Also, analysis of influence was performed by using numerical typical soil conditions a...
In this study, an analysis about the causes of different types of excavation on accidents is required in order to prevent the frequently occurring accidents related to the earth retaining structure and excavation. Also, analysis of influence was performed by using numerical typical soil conditions and construction trend using numerical analysis method. According to the analysis results of 25 accident cases, the main influence factors were found as following: insufficient of soil survey, instability of temporary facility and lack of groundwater treatment, etc. Furthermore, in the numerical analysis result of 22 cases, drainage method was occurred larger settlement than waterproof method in the Inland. In case of applying the earth anchor method, it needs more detailed in the regions, which are discovered soft ground or rock discontinuities. Also, The consolidated clay absolutely needs further consideration of excess hydrostatic pressure.
In this study, an analysis about the causes of different types of excavation on accidents is required in order to prevent the frequently occurring accidents related to the earth retaining structure and excavation. Also, analysis of influence was performed by using numerical typical soil conditions and construction trend using numerical analysis method. According to the analysis results of 25 accident cases, the main influence factors were found as following: insufficient of soil survey, instability of temporary facility and lack of groundwater treatment, etc. Furthermore, in the numerical analysis result of 22 cases, drainage method was occurred larger settlement than waterproof method in the Inland. In case of applying the earth anchor method, it needs more detailed in the regions, which are discovered soft ground or rock discontinuities. Also, The consolidated clay absolutely needs further consideration of excess hydrostatic pressure.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 흙막이 굴착공사의 사고예방을 위한 안전관리를 제안하기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. 첫째, 최근 발생한 흙막이 굴착공사로 인한 사고 및 인접시설물에 영향을 끼친 다수의 사례를 수집하여 붕괴 원인에 대한 사례 분석을 수행하고, 둘째, 수치해석기법을 사용하여 국내 대표적인 지반조건 및 공사공법에 따른 굴착시 영향 분석을 수행하였다.
제안 방법
Table 2와 같이 국내의 대표적인 지반조건과 최근 시공 경향을 고려하여 22개 case로 분류하고, 수치해석 방법을 사용하여 굴착에 따른 영향을 분석하였다. 굴착에 따른 배면지반의 침하량을 산정하고 인접구조물의 안정에 가장 밀접한 부등침하로 인한 각변위 등을 기준으로 영향 정도를 비교하였다.
Table 2와 같이 국내의 대표적인 지반조건과 최근 시공 경향을 고려하여 22개 case로 분류하고, 수치해석 방법을 사용하여 굴착에 따른 영향을 분석하였다. 굴착에 따른 배면지반의 침하량을 산정하고 인접구조물의 안정에 가장 밀접한 부등침하로 인한 각변위 등을 기준으로 영향 정도를 비교하였다.
본 연구에 수집된 사고사례로는 지반굴착 공사현장의 붕괴에 따라 대규모 파괴가 발생하여 인접구조물에 영향을 미친 사례, 지반굴착현장은 붕괴되지 않았으나 인접구조물의 안정성에 영향을 미친 것으로 판단되어 공사를 중단하고 원인을 찾아 공법을 변경했거나 대책공법이 수립된 사례 등 대규모 지반굴착 현장 중심으로 수집하였다. 붕괴 또는 영향의 원인을 공학적으로 규명할 수 있는 충분한 자료를 확보할 수 있는 사례를 선별하였으며, 본 연구에서는 경의선 ○○역 등 25건의 사례를 수집하여 분석 자료(2011.
본 연구에서는, 지반굴착공사의 안전관리를 위하여 관련된 사고사례와 수치해석기법을 활용한 다양한 지반조건및 시공조건을 고려한 분석을 실시하였으며, 그 결과를 간략히 정리하면 다음과 같다.
수치해석 프로그램으로는 FLAC 2D와 PLAXIS를 사용하였으며, 사용 물성치는 사고사례에서 획득한 자료와 Table 3과 같이 일반적으로 사용되는 국내 지반물성 적용 범위를 고려하여 선정하였다.
지반의 층상구조는 내륙특성지반 4 case와 해안특성지반 2 case로 크게 구분하며, 16m의 일반굴착및 30m의 깊은 굴착의 경우를 고려하여 구분하였다. 시공 방법으로는 국내에서 많이 사용하는 Diaphragm wall과 같은 차수가 되는 차수벽체, 비차수 흙막이 가설 벽체로 나누어 구분하였고, 보조공법에 의한 분류(anchor 및 rock-bolt, strut 등) 해석을 수행하였으며, 암반 및 연약점토 특성에 따른 분석도 추가로 실시하였다.
조사된 25건의 사고사례의 주요 영향 요인으로 분석된 지반조사 부실, 가시설 구조체의 불안정, 지하수처리(차수, 배수 등) 미흡 등에 대하여 상세히 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
지반굴착에 의한 영향 평가기준으로는 다양한 연구와 기준에 대한 조사 결과, 구조물에 큰 영향을 미치는 각변위 (angular distortion)를 주로 활용하였다. 각변위에 대한 연구는 여러 학자들(Skempton과 MacDonald 1956; Bjerrum 1963; Polshin과 Tokar 1957; Burland와 Wroth 1974; Son 2003)에 의해 연구되어 일반적으로 1/300을 구조물 손상의 한계로 적용하고 있어 본 검토에서도 Table 4와 같은 기준을 사용하였고, 일반적으로 굴착면과 구조물의 이격거리가 5m이상인 점과 영향반경이 굴착깊이의 2배 이내인 점을 고려하여 검토 영향범위는 5m～45m로 설정하였다.
Youn) 를 활용하였다. 지반의 층상구조는 내륙특성지반 4 case와 해안특성지반 2 case로 크게 구분하며, 16m의 일반굴착및 30m의 깊은 굴착의 경우를 고려하여 구분하였다. 시공 방법으로는 국내에서 많이 사용하는 Diaphragm wall과 같은 차수가 되는 차수벽체, 비차수 흙막이 가설 벽체로 나누어 구분하였고, 보조공법에 의한 분류(anchor 및 rock-bolt, strut 등) 해석을 수행하였으며, 암반 및 연약점토 특성에 따른 분석도 추가로 실시하였다.
본 연구에서는 흙막이 굴착공사의 사고예방을 위한 안전관리를 제안하기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. 첫째, 최근 발생한 흙막이 굴착공사로 인한 사고 및 인접시설물에 영향을 끼친 다수의 사례를 수집하여 붕괴 원인에 대한 사례 분석을 수행하고, 둘째, 수치해석기법을 사용하여 국내 대표적인 지반조건 및 공사공법에 따른 굴착시 영향 분석을 수행하였다.
해석 case로는 앞서 기술한 내륙지반과 해안지반, 굴착 깊이, 시공방법 등을 고려하여 18가지의 case와 암반불연속면에 대한 영향 고려 2가지의 case, 연약지반에 적합한 모델의 적용 여부에 따른 2가지의 case의 해석을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에 수집된 사고사례로는 지반굴착 공사현장의 붕괴에 따라 대규모 파괴가 발생하여 인접구조물에 영향을 미친 사례, 지반굴착현장은 붕괴되지 않았으나 인접구조물의 안정성에 영향을 미친 것으로 판단되어 공사를 중단하고 원인을 찾아 공법을 변경했거나 대책공법이 수립된 사례 등 대규모 지반굴착 현장 중심으로 수집하였다. 붕괴 또는 영향의 원인을 공학적으로 규명할 수 있는 충분한 자료를 확보할 수 있는 사례를 선별하였으며, 본 연구에서는 경의선 ○○역 등 25건의 사례를 수집하여 분석 자료(2011. Seong)를 활용 하였다.
성능/효과
4에서 보듯이 굴착심도 16m일 경우 벽체로부터의 이격거리 5m～15m 사이에서 부등침하가 주로 발생하였고, H-pile + strut 공법에서 가장 크게 발생하는 경향을 보였다. 굴착심도 30m의 해석결과에서는 벽체로부터의 이격거리 5m～30m 사이에서 부등침하량이 주로 발생하였고, H-pile + earth anchor 공법에서 가장 크게 발생하는 경향을 보였다. 일반적으로 가설벽체 배면지반의 가상 파괴면을 벽체에서 30° 각도로 존재한다고 가정하는데, 파괴면의 형상을 참고하면 가상 파괴면 이내에 인접구조물이 있을 경우에 해당한다.
5에서 국내 내륙지반에 대한 해석결과와 해안지반에 대한 해석결과에서 가장 큰 차이를 보이는 부분이 H-pile + earth anchor 공법이다. 내륙지반의 H-pile + strut 공법이나 H-pile + earth anchor 공법에서 큰 차이가 발생하지 않았으나, 연약지반에서는 earth anchor를 사용할 경우 상대적으로 배면지반에서 지반의 소성거동이 많아지는 것으로 나타났다. 이는 earth anchor의 정착장이 충분한 저항력을 발현하도록 주변지반의 강도와 깊은 연관이 있기 때문으로 분석된다.
대부분의 해석결과에서 인접구조물의 각변위(δ/L) 는 1/2500 ~ 1/750 사이의 값을 가지는 것으로 해석되었으며, 허용치인 1/300 보다 적은 값이나, 굴착심도의 0.5배～1배에서 부등침하가 크게 발생하는 경향을 고려하여 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 파쇄절리대의 강도특성만 반영하여 비교검토를 수행하였으나, 파쇄절리대 내 우수유입에 따른 수압, 파쇄절리대 충진물 특성(풍화도 및 두께), 파쇄절리 대의 규모, 불연속면의 방향 및 연장성에 따라 그 결과에 차이가 있음을 확인하였다.
후속연구
위의 연구결과를 토대로 국내에 지반굴착공사를 수행할 때, 일반적인 내륙지역에서는 차수공법에 비해 배수 공법 적용시 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단되고, 연약지반 및 암반의 불연속면이 발달한 지역에서는 earth anchor 공법 적용시 유의하여야 하며, 압밀이 진행중인 점토지반에서는 과잉간극수압에 대한 고려를 반드시 하여야 할 것으로 판단된다.
이 외 여러 요인들이 복합적으로 작용하여 굴착현장에 문제를 발생시키는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 볼 때, 현재 지반굴착공사에서 조사 및 설계단계에 대한 면밀한 검토가 필요함을 알 수 있었다.
국내 일반적인 지반에 대한 해석결과, 지반굴착 공사시 인접구조물의 영향 범위를 선정할 때 굴착심도의 1배 이내에 대하여 집중적으로 모니터링을 하는 것이 합리적인 것으로 판단된다. 특히, 비차수 공법을 이용할 경우 상대적으로 부등침하가 크게 발생할 수 있으므로, 굴착심도의 0.5배～1배 이내일 경우 인접한 지반의 중요시설 또는 중요구조물이 있을 경우 구조물 경사계를 이용하여 모니터링을 실시할 것을 추천한다.
현행 건축물시공 굴착공사시 면밀한 해석적 분석없이 간략한 지지력평가만을 수행하는 상황임을 고려할 때, 앞서 기술한 사고사례에 대한 분석과 함께 국내 대표적인 지반 및 시공조건에서의 굴착 영향에 대한 수치해석 분석은 유사한 굴착공사에 활용시 사고예방에 효과적일 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지반조사부실로 인한 대표적인 사례는?
또한 지형적인 특징으로 우수 또는 지하수가 모여들어 수압이 증가를 하거나 불연속면으로 지하수가 침투하여 anchor 천공시 지하수와 토사가 유출되어 흙막이벽의 붕괴로 이어지는 등의 사고 사례도 있었다. 지반조사부실로 인한 대표적인 사례로 판교 ○○현장 붕괴사고이다. 당초 설계시 불연속면을 고려하지 않았을 경우에는 허용치 이내였으나, 불연속면을 가정하였을 경우에는 일부 벽체 및 anchor가 불안정한 것으로 검토되었다.
공사도중 관로의 파열로 인해 물이 유입되어 수압이 증가하는 문제와 지하수의 배출에 따른 지반 침하 또는 배면의 토사가 유출되어 지반이 함몰되는 사례중 대표적인 사례는?
태풍이나 집중강우에 의한 지하수위 증가 또는 공사장 인근을 지나고 있는 상수도관 또는 오수관 같은 매설물의 위치를 제대로 파악하지 못하여 공사도중 관로의 파열로 인해 물이 유입되어 수압이 증가하는 문제와 지하수의 배출에 따른 지반 침하 또는 배면의 토사가 유출되어 지반이 함몰되는 사례이다. 대표적 사례로는 서울 ○○역사 지반침하사례로 인근 지반굴착공사 현장에서 지하수의 배수로 주변지반의 지하수위가 약 15m이상 하강되어 역사에 침하를 발생시킨 사례이다. N 치 20이상의 단단한 지반에서는 지하수위의 변화는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났지만, N치 10이하의 연약층(도심지에서는 과거 하상퇴적층의 경우가 많음)에서는 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
사고가 발생한 사고 사례는 12건으로 가장 많이 영향을 미친 요인은?
수집된 사고사례에서 지반조사의 불충분 또는 지반조사에서 파악하지 못한 사실로 인하여 사고가 발생한 사고 사례는 12건으로 가장 많이 영향을 미친 요인이었다.
참고문헌 (18)
Bjerrum, L. (1963) Discussion on: Proceedings of the European conference on soil mechanics and foundation engineering, volIII, Norwegian Geotechnical Institute, Publ. No 98, Oslo, Norway, 1-3.
Boscardin, M.D. and Cording, E.J. (1989), "Building response to excavation-induced settlement", Journal of Geotech. Engineering, ASCE, Vol.115(1), pp.1-21.
Bowles (1988), Foundation Design and Analysis, 4th Ed., McGraw-hill, pp.658-661.
Burland, J. B. and Wroth. C. P. (1974) Settlement behavior of buildings and associated damage, Proc., Conf. on Settlement of Structures, Pentech Press, London, England, pp.611-654.
Caspe, M.S. (1966), "Surface settlement adjacent to braced open cuts", Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering, ASCE, Vol.92, pp.51-59.
Clough, G. W., and O'Rourke, T. D. (1990) Construction induced movements of insitu walls, Geotechnical special publication, ASCE, No.25, pp.439-470.
Kim, D.-S., Lee, S-Y., and Youn, J.-G. (2008), "Development of Site Classification System and Modification of Site Coefficients in Korea Based on Mean Shear Wave Velocity of Soil and Depth to Bedrock", Journal of the Korea Society of Civil Engineers, Vol.28, No.1C, pp.63-74.
Korea Infrastructure Safety & Technology Corporation (2010), "Establishment of the Safety Management Standards of Adjacent facilities according to ground excavation"
Korea Infrastructure Safety & Technology Corporation (2007), "Technical review case: Retaining wall and excavation"
Lee, S.-J., Song, T-W., Lee, Y.-S., and Kim, J.-G. (2005), "A Case Study of Building Damage Risk Assessment Due to the Strutted Excavation: Design Aspects", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.21, No.10, pp.99-112.
Peck, R.B. (1969), "Deep excavations and tunneling in soft ground" Proc. 7th Int. Conf. on Soil Mech. and Foundation Eng., State of the art volume. Sociedad Mexicnan de Mecanica de Suelos, A.C., pp.225-290.
Polshin, D. E. and Tokar, R. A. (1957) Maximum allowable nonuniform settlement of structures, Proc., The 4th Int'l Conf. on Soil Mech. and Foun. Engr., Butterworth, England, Vol.1, pp.402-405.
Seo, M.-U., Seok, J-U., Yang, G.-S., and Kim, M.-M. (2006), "Sequential Analysis of Adjacent Ground Behaviors Caused by Deep Excavations", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.22, No.2, pp.19-28.
Seong, J.-H. (2011), "A Study for Safety Management on Ground Excavation by Analysis of Accident Events", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, Vol.15, No.6, pp.175-183.
Skempton, A.W. and Macdonald, D.H. (1956), "Allowable settlement of buildings" Proc. Inst. Civ. Eng., Vol.5, pp. 727-768.
Son, M. (2003). The response of buildings to excavationinduced ground movements, Ph.D. dissertation, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL. USA.
Son, M.-R. (2005), "Building Response and Damage Estimation to Excavation- and Tunneling-Induced Ground Movements in Urban Area", Journal of the Korea Society of Civil Engineers, Vol.25, No.3C, pp.189-199.
Youn, J.-G. and Kim, D.-S. (2006), "Development of Site Classification System and Modification of Design Response Spectra considering Geotechnical Site Characteristics in Korea", Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.10, No.2, pp.39-50.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.