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문제 정의
- 그러므로, 이에 본 내용에서는 대안설계로 시행된 지도~임자간 도로건설공사 해상교량의 해상기초 설계사례를 소개하여 유사과업 설계에 도움을 주고자 한다.
- 본 과업은 국도24호선(신안~울산)중 지도 ~ 임자도를 연결하는 해상교량을 가설하여 도서지역 주민과 국민관광지의 교통편익을 증진하고 농수산물의 수송을 원활히 하여 주민 소득을 증대하며 도서주민의 생활환경을 개선하는 사업이다.
- 9m로 감소시켜 주탑부 기초형식은 대구경 현장타설말뚝을 적용가능하게 하였다. 이로써 빠른 조류속 및 불규칙한 지층조건에서의 시공성을 확보하였다. 또한, 케이슨 기초 시공시 발생되는 수중 발파작업과 대수심에서의 시공성 불리를 극복하였다.
제안 방법
- 과업내 지층 분포와 각 지층의 지반공학적 특성, 기반암의 분포상태 및 풍화상태 등을 파악하기 위하여, 임자 대교에는 총 6개소에 대하여 시추조사를 실시하였다.
- 과업내 지층 분포와 각 지층의 지반공학적 특성, 기반암의 분포상태 및 풍화상태 등을 파악하기 위하여, 지도 대교에는 총 17개소에 대하여 시추조사를 실시하였다.
- 그리하여, 대안에서는 사장교 적용으로 주경간장을 확대하여 대수심을 피하였고 수중작업이 필요 없으며 소규모 해상장비 사용으로 해월전선 단선이 불필요한 대구경 현장타설 말뚝을 적용하였다.
- 또한 희생강관과 지그자켓을 용접으로 일체화하여 외력을 지그자켓이 저항하게 하였으며, 기반암 조기 출현으로 인한 거치 후 초기 강관 안정성은 선단부 면적을 증가시켜 강관자중과 바이브로해머 또는 RCD장비 하중으로 인한 저면 마찰력으로 유수압에 저항하게 하였다. 기반암 조기 출현구간에서 지그자켓 자체만으로 안정성 확보가 곤란할 경우 시공중 필요시 윈치-앵커 시스템을 계획하여 지그자켓 안정성을 확보하였다. 시추조사 및 물리탐사 결과 지도대교 P1은 고풍화구간으로 판단되어 공벽붕괴로 인한 말뚝 품질저하를 방지하기 위하여 바이브로해머 항타와 RCD반복굴착에 의한 희생강관 추가 근입을 계획하였다(그림 12).
- 기초시공을 위한 시공장비는 빠른 조류속과 기반암 조기출현의 특성을 지그자켓의 핀파일 직경 및 갯수로 극복할 수 있고 현장상황에 따라 지그자켓에 윈치-앵커시스템을 추가하여 시공중 안정성을 확보할 수 있는 크레인바지선+지그자켓 조합으로 계획하였다.
- 대안설계로 진행된 지도~임자간 도로건설공사는 원안설계 기초형식은 주탑부는 케이슨 기초, 접속교는 경사식 현장타설 말뚝을 적용하였다. 그러나, 조사결과 최대수심이 임자대교 45.
- 현장타설말뚝 시공장비는 시공성이 우수하고, 외부 작용하중에 대한 저항력이 우수하여 빠른 조류속 및 기반암 조기출현 조건에 안정적인 크레인바지선+지그자켓 장비를 선정하였다. 또한, 시공법으로는 말뚝의 품질 확보 및 해상 환경오염 최소화가 가능하고, 암반 굴착이 용이한 희생강관+RCD공법을 선정하였다(표 11).
- 또한, 케이슨 기초 시공시 발생되는 수중 발파작업과 대수심에서의 시공성 불리를 극복하였다. 빠른 조류속에서 대구경 경사식 현장타설말뚝의 시공의 어려움과 말뚝품질 저하를 고려하여 접속교 기초 형식은 연직 현장타설말뚝으로 계획하였다.
- 기반암 조기 출현구간에서 지그자켓 자체만으로 안정성 확보가 곤란할 경우 시공중 필요시 윈치-앵커 시스템을 계획하여 지그자켓 안정성을 확보하였다. 시추조사 및 물리탐사 결과 지도대교 P1은 고풍화구간으로 판단되어 공벽붕괴로 인한 말뚝 품질저하를 방지하기 위하여 바이브로해머 항타와 RCD반복굴착에 의한 희생강관 추가 근입을 계획하였다(그림 12).
- 기초형식 및 지반특성과 상부 구조물 하중조건에 부합하는 교량기초의 안정성을 다음과 같이 검토하였다. 안정성 평가 기준을 수립하여 다양한 기초 안정성 평가 방법의 적용과 주요구간 상세 해석을 통하여 해상 말뚝 기초 안정성의 신뢰성을 확보하도록 노력하였다.
- 접속교 기초형식은 주경간 기초형식 선정과 동일한 사유로 직경 2.0~3.0m 현장타설말뚝을 적용하였다, 다만, 원안에 적용한 경사식 말뚝은 본 과업구간과 같이 해상 조류속이 빠른 조건에서 실패사례가 있고 시공성이 저하될 것으로 판단되어 연직 말뚝으로 계획하였다.
- 주탑부 주경간장은 원안에서 임자대교 200m, 지도대교 155m이였으나, 대안에서는 각각 410m, 310m로 확대 하므로서 대수심을 배제(임자대교 : 45.7m→31.9m, 지도대교 : 43.8m→28.8m)하여 시공성과 경제성을 확보하는 기초형식을 선정하도록 하였다(그림 8).
- 지층 분포와 각 지층의 지반공학적 특성, 기반암의 분포상태 및 풍화상태 등을 파악하기 위하여 시추조사, 해상 고출력 전기비저항 탐사 등 정밀한 지반조사를 시행하였다.
- 최근 국내 해상 교량기초 현장타설말뚝 현장에서 발생된 문제점 분석을 통해 효율적이고 경제적인 기초시공법을 다음과 같이 선정하였다.
- 현장타설말뚝 시공장비는 시공성이 우수하고, 외부 작용하중에 대한 저항력이 우수하여 빠른 조류속 및 기반암 조기출현 조건에 안정적인 크레인바지선+지그자켓 장비를 선정하였다. 또한, 시공법으로는 말뚝의 품질 확보 및 해상 환경오염 최소화가 가능하고, 암반 굴착이 용이한 희생강관+RCD공법을 선정하였다(표 11).
- 현장타설말뚝의 하중전이 특성을 수치해석으로 분석한 결과를 반영하여 암반 소켓지지 말뚝으로 지지력을 산정하였다. 교각별 세굴심도를 고려한 연직 및 수평 안정성 검토 결과 모두 허용기준치를 만족하여 현장타설말뚝기초의 안정성을 확보하였다(그림 13~15).
- 희생강관 거치시 안정성 확보 대책으로 강관거치, 바이브로해머 및 RCD장비 거치가 각각 1시간이내에 가능하므로 희생강관 거치 및 근입은 조류 움직임이 미미한 정조기시 수행하는 것으로 계획하였다. 또한 희생강관과 지그자켓을 용접으로 일체화하여 외력을 지그자켓이 저항하게 하였으며, 기반암 조기 출현으로 인한 거치 후 초기 강관 안정성은 선단부 면적을 증가시켜 강관자중과 바이브로해머 또는 RCD장비 하중으로 인한 저면 마찰력으로 유수압에 저항하게 하였다.
대상 데이터
- 본 과업은 육지로부터 임자도, 수도를 연결하기 위해서 임자대교 및 지도대교 2개의 해상교량이 계획되었다.
- 임자대교는 연장 750m의 A형 주탑의 강합성 사장교를 적용하였다. 최대 수심이 46m로 대수심이고 기반암 심도가 얕은 현장특성을 보이고 있다.
- 최대 수심이 46m로 대수심이고 기반암 심도가 얕은 현장특성을 보이고 있다. 지도대교 교량형식은 연장 1,135m의 H형 주탑의 강합성 사장교를 적용하였다. 임자대교와 마찬가지로 대수심과 기반암 심도가 얕은 특성을 가지고 있고 교량 시·종 점부 일부 구간에 지질학적으로 불리한 기초지반 특성을 보이고 있다.
이론/모형
- 주경간교 기초는 원안에서 케이슨 기초를 적용하였다. 이 경우 기초위치에서의 수심이 45.
성능/효과
- 계획한 해상교량 기초의 다양한 안정 검토결과 말뚝 기초는 모두 장기 안정성을 확보하였다.
- 현장타설말뚝의 하중전이 특성을 수치해석으로 분석한 결과를 반영하여 암반 소켓지지 말뚝으로 지지력을 산정하였다. 교각별 세굴심도를 고려한 연직 및 수평 안정성 검토 결과 모두 허용기준치를 만족하여 현장타설말뚝기초의 안정성을 확보하였다(그림 13~15).
- 교량별 일부 교각위치에 기반암이 조기출현하고 고풍화 또는 국부적 파쇄대 구간이 존재하는 것으로 조사되었다. 설계 조류속은 임자대교 최대 2.
- 대안설계로 진행된 지도~임자간 도로건설공사는 원안설계 기초형식은 주탑부는 케이슨 기초, 접속교는 경사식 현장타설 말뚝을 적용하였다. 그러나, 조사결과 최대수심이 임자대교 45.7m, 지도대교 43.8m로 대 수심이고, 최대 조류속은 임자대교 2.6m/s, 지도대교 2.9m/s의 비교적 빠른 유속을 보이고 있다. 또한, 지반 특성은 기초의 지지층으로 적합한 연암 또는 경암의 양호한 암질 특성을 보이나 일부 주탑부에서 지지층 변화가 매우 심하였고, 일부 교각부 위치에서 기반암이 조기 출현하고 암맥관입에 따른 풍화변질로 풍화대가 깊게 분포하고 파쇄대가 분포하는 것으로 분석되었다.
- 접속1교 P1,2교각은 암맥관입에 따른 풍화변질로 풍화대가 깊게 분포하고 있어 비저항이 낮게 나타났다. 또한, 접속2교 P6 기초 일축강도 19.2MPa 내외로 약하게 검토되었으며, P8~P9에 연약한 퇴적층이 1.8~4.7m두께로 분포하고 일부 차별풍화에 따른 풍화심화구간이 분포하는 것으로 조사되었다. RMR값은 전체 31∼68범위, 주경간교 35~64 범위로 분포하고 있으며, 일축압축강도는 전체 8∼97.
- 9m/s의 비교적 빠른 유속을 보이고 있다. 또한, 지반 특성은 기초의 지지층으로 적합한 연암 또는 경암의 양호한 암질 특성을 보이나 일부 주탑부에서 지지층 변화가 매우 심하였고, 일부 교각부 위치에서 기반암이 조기 출현하고 암맥관입에 따른 풍화변질로 풍화대가 깊게 분포하고 파쇄대가 분포하는 것으로 분석되었다.
- 이로써 빠른 조류속 및 불규칙한 지층조건에서의 시공성을 확보하였다. 또한, 케이슨 기초 시공시 발생되는 수중 발파작업과 대수심에서의 시공성 불리를 극복하였다. 빠른 조류속에서 대구경 경사식 현장타설말뚝의 시공의 어려움과 말뚝품질 저하를 고려하여 접속교 기초 형식은 연직 현장타설말뚝으로 계획하였다.
- 수치해석을 이용한 주요구간 침하 및 부등침하 검토 결과 모두 허용기준치를 만족하였으며, 또한, 지반구조물 상호작용을 고려한 지진해석결과 내진 안정성을 확보하였다.
- 원안의 주탑위치에서의 최대수심이 43.8m로 대수심이고 전기비저항탐사 결과 기초위치에 저비항이상대가 분포하는 것으로 조사되었다. 대안에서는 주경간장을 310m로 확대하여 대수심, 파쇄대 및 암맥접촉 부등 지질이상대를 피하므로서 기초 시공성 및 장기 안정성을 증대시켰다.
- 이러한 해상 및 지반특성을 고려하여 대안설계에서는 교량형식을 사장교로 계획하여 주경간장을 최대로 확대하므로서 최대 수심을 31.9m로 감소시켜 주탑부 기초형식은 대구경 현장타설말뚝을 적용가능하게 하였다. 이로써 빠른 조류속 및 불규칙한 지층조건에서의 시공성을 확보하였다.
- 일축압축강도는 전체 28.8∼87.2MPa 범위, 기초 지지층은 28.8~71.3MPa 값으로 확인되었다.
- 조사 결과, 원안설계의 주탑부 기초위치에 저비저항 이상대가 분포하는 것으로 분석되어 주경간장을 원안 200m에서 410m로 증대하여 수심 및 지반조건이 우수한 주탑위치를 선정하였다.
- 지층 특성 검토 결과, 주경간교 PY1은 지층변화가 심하나 PY2는 지층변화가 심하지 않고 기반암은 대체로 신선하다. 접속1교 P1,2교각은 암맥관입에 따른 풍화변질로 풍화대가 깊게 분포하고 있어 비저항이 낮게 나타났다.
- 현장특성별 기초형식 적용사례 분석 결과, 국내 해상교량 기초형식은 현장타설말뚝과 케이슨 기초가 약 88%로 대부분을 차지했던 것으로 분석되었다. 또한, 설계 년도별 적용사례결과 최근(2000년 이후)에는 시공기술의 향상으로 해상교량 기초형식에 현장타설말뚝 적용이 지속적으로 증가하고 있는 추세이고, 본 과업 특성인 수심이 깊고 기반암 출현심도가 얕은 경우 현장타설말뚝과 케이슨 기초가 적용되었다(그림 7).
후속연구
- 마지막으로 본 설계사례가 대수심, 빠른 조류속, 기반암 조기노출 및 지질이상대 출현 등 유사한 조건에서의 해상교량 기초설계에 도움이 되었으면 한다.
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