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문제 정의
- 카타르 루사일 고속도로 건설현장에서 수행한 공사 내용 중 펄(Pearl), 오나이자(Onaiza), 와흐다(Wahda) 지역에 입체 교차로를 시공하기 위한 도심지 굴착공사에 적용된 디워터링(Dewatering) 공법의 설계 및 시공에 대한 내용을 살펴 보았다. 해당 공사는 해안 및 인공수로와 인접하여 대규모 도심지 굴착이 계획됨에 따라, 굴착 시 높은 지하수위에 따른 다량의 유출수를 처리하기 위하여 디워터링을 실시하였으며, 석회암 지대라는 공사구간의 지반특성상 지하 공동의 영향으로 급변하는 지하수 유출량을 안정적으로 처리하기 위하여 현장 적용성이 우수한 딥웰과 공사 중 집수정을 적용한 디워터링 시스템을 구축하였다.
제안 방법
- 디워터링이 수행된 공사구간이 위치하고 있는 펄, 오나이자, 와흐다 지역은 도하 시내 최고급 주거지역 중 하나로 도심지 대규모 굴착 공사 및 이에 따른 디워터링 공사 시 환경, 시공성, 지반조건과 관련된 제약조건이 있었다. 다양한 제약 조건을 극복하기 위해 딥웰과 공사 중 집수정을 적용한 디워터링 공법을 계획하였으며, 설계 단계에서 침투수 해석을 구간별로 실시하였고, 용량 및 양정 분석을 통해 적정할 펌프를 선정하였다.
- 디워터링 관련 침투수 해석시 경계조건은 굴착지역이 바닷가에 인접하여 위치하므로 굴착지역부터 200 m 외부에 일정수압 조건을 적용하였으며, 딥웰 및 공사 중 집수정의 수압은 대기압으로 적용하였다.
- 디워터링 시 딥웰 및 공사 중 집수정의 용량 및 배수성능을 확인하기 위해 침투수 해석(Seepage Analysis)을 실시하였다. 침투수 해석의 경우 Geoslope사의 해석 프로그램인 SEEP/W를 사용하여 정상류 상태와 비정상류 상태의 유입량을 분석하였으며, 정상류 상태 유입량에 안전율 1.
- 디워터링 실시 후 굴착부의 지하수위는 바닥면 기준 GL(-)1.0 m 이하가 되도록 딥웰 및 공사 중 집수정을 설계하여 굴착구간 작업성을 확보하였다.
- 5 이상을 확보할 수 있도록 배수 시설을 설계하였다. 또한, 비정상류 해석을 통해 최소 24시간 이상 충분히 배수를 실시하여 정상류 상태로 굴착 구간을 유지하도록 계획 하였다. 각 지역별 SEEP/W 침투해석 결과는 그림 12~15와 같다.
- 카타르 루사일 고속도로 현장의 디워터링 공법은 총 4개 구간(경전철(LRT) 굴착, 펄 지하차도 굴착, 오나이자 지하차도 굴착 및 와흐다 지하차도) 굴착에 시공되도록 계획되었다(그림 6∼9). 본 디워터링 공법은 굴착 최대 깊이 약 25m, 굴착 면적 약 200,000m2 인 대규모 도심지 굴착공사 중 작업성 확보를 위해 침투하는 지하수를 굴착 구간 바깥으로 배제하기 위한 것으로 주로 딥웰(Deep Well) 및 공사 중 집수정 (Sump Pit)을 적용하여 수행되었다. 바닷가에 인접한 공사 구간의 높은 지하수위와 공동이나 절리 등의 비균질성 지반 특성 및 현지 지하수처리 관행 등 국내의 지하수 처리 공사와는 다른 조건이 많았으며, 이를 적절하게 대처하는 것이 디워터링 공사의 성패에 주요한 요소로 작용하였다.
- 심시마 석회암층(Simsima Limestone)은 카타르에 전역에 광범위하게 분포하고 있는 지층으로 돌로마이트(Dolomite) 성분을 많이 포함하며 비교적 높은 강도 특성을 보이는 석회암 층이다. 심시마 석회암층은 풍화된 정도에 따라서 표 3과 같이 세 가지 등급으로 나누어 강도 및 투수 특성을 다르게 적용하였다. 설계에 적용된 지반정수는 표 4 및 표 5와 같다.
- 디워터링 시 딥웰 및 공사 중 집수정의 용량 및 배수성능을 확인하기 위해 침투수 해석(Seepage Analysis)을 실시하였다. 침투수 해석의 경우 Geoslope사의 해석 프로그램인 SEEP/W를 사용하여 정상류 상태와 비정상류 상태의 유입량을 분석하였으며, 정상류 상태 유입량에 안전율 1.5 이상을 확보할 수 있도록 배수 시설을 설계하였다. 또한, 비정상류 해석을 통해 최소 24시간 이상 충분히 배수를 실시하여 정상류 상태로 굴착 구간을 유지하도록 계획 하였다.
- 카타르 루사일 고속도로 현장의 디워터링 공법은 총 4개 구간(경전철(LRT) 굴착, 펄 지하차도 굴착, 오나이자 지하차도 굴착 및 와흐다 지하차도) 굴착에 시공되도록 계획되었다(그림 6∼9).
- 카타르 루사일 고속도로 건설현장에서 수행한 공사 내용 중 펄(Pearl), 오나이자(Onaiza), 와흐다(Wahda) 지역에 입체 교차로를 시공하기 위한 도심지 굴착공사에 적용된 디워터링(Dewatering) 공법의 설계 및 시공에 대한 내용을 살펴 보았다. 해당 공사는 해안 및 인공수로와 인접하여 대규모 도심지 굴착이 계획됨에 따라, 굴착 시 높은 지하수위에 따른 다량의 유출수를 처리하기 위하여 디워터링을 실시하였으며, 석회암 지대라는 공사구간의 지반특성상 지하 공동의 영향으로 급변하는 지하수 유출량을 안정적으로 처리하기 위하여 현장 적용성이 우수한 딥웰과 공사 중 집수정을 적용한 디워터링 시스템을 구축하였다.
대상 데이터
- 디워터링 설계 시 적용한 지하수위는 그 지역에서 이루어진 지하수위 계측 데이터를 기본으로 인근 설계 자료를 참고하여 적용하였다. 현지에서 계측된 데이터는 주로 관측정을 통해서 수집되지만, 보링 작업 시 추가되는 작업수나 인근 건설현장의 지하수 처리 공법의 영향과 계절적인 변화요인을 반영하기 어렵다는 점에서 계측된 결과를 그대로 설계 지하수위로 적용하기는 어려운 점이 있다.
- 루사일 고속도로 현장의 딥웰은 천공경 600mm와 파이프 직경 450mm, 천공경 300 mm와 파이프 직경 150mm 두 조합이 지하수 배출 필요량에 따라 적용되었다. 딥웰용 파이프의 재질은 플라스틱이나 강관이 일반적으로 적용되었다.
이론/모형
- 디워터링 공법은 딥웰(Deep Well) 및 공사 중 집수정(Sump Pit)을 적용하였다. 딥웰이나 공사 중 집수정을 적용하기 위해서는 적정거리에 포집한 지하수를 배출할 수 있는 장소가 필수적이다.
성능/효과
- 또한 공사 중 집수정을 적용할 경우 굴착 시 흙탕물이 집수되는 경향이 있어, 지하수 배출 전 임시 침전지나 혹은 흙탕물을 처리할 수 있는 다른 공법을 고려해야 한다. 딥웰만을 고려할 경우 딥웰 설치시 토목섬유나 골재 등의 필터층이 있어서 침전지가 불필요하나, 공동이나 절리 등의 석회암 지반 불균일한 투수 특성 때문에 딥웰과 공사 중 결과 집수정을 병행하여 시공하는 것이 효과적이었다.
- 셋째, 디워터링 배출수를 처리하는 배수관을 도로 아래에 매설할 경우, 2배~3배의 여유 용량을 고려하여 관을 매설하여야, 배출수 과다 시 도로를 재 굴착하는 리스크를 경감할 수 있다.
- 디워터링이 적용된 굴착 지역의 지반 조건은 그림 10, 11에서 확인 가능한 바와 같이 일반 성토층(General and Hydraulic Fill), 심시마 석회암(Simsima Limestone), 미드라 셰일(Midra Shale), 러스 석회암 (Rus Formation)으로 구성되어 있으며, 부분적으로 캡락(Cap Rock)이 혼재되어 있다. 이 중 디워터링 설계에 직접적인 영향이 있는 지층은 일반 성토층과 심시마 석회암층이며, 추가로 굴착 깊이가 깊은 경우에 러스 석회암의 투수 특성이 설계에 중요한 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 부분적으로 혼재된 해성 실트질 점토층 및 미드라 셰일층 경우 그 두께가 1.
- 첫째, 디워터링 공법은 기본적으로 침투해석의 결과를 기본으로 설계가 되나, 침투해석에 사용되는 지반 투수 계수에는 변수가 있다. 특히, 석회암 지역의 경우 일반적으로 적용되는 대표 지반투수 계수는 공동이나 절리 같은 특수성을 고려하지 않은 결과로 이해해야 하며, 실제 지반조사 시 수행되는 공내 투수시험이나, 공내 배수시험 역시 이러한 특이점에 정확하게 실시될 수가 없으므로, 일반적으로 대표 지반투수 계수를 적용하여 실시되는 침투해석의 결과와 실제 굴착 시 유입되는 지하수의 양에 차이가 발생할 수가 있다.
후속연구
- 딥웰 및 공사 중 집수정을 적용한 본 굴착공사는 상당 부분 완료되어 그 시공성과 적용성이 검증되었으며, 이와 같은 디워터링 공법은 현지 지반 특성, 설계 개념, 현지 적용성과 관련된 유의사항에 주의한다면, 향후 유사한 조건에서도 충분히 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 이와 같은 유의사항을 고려한다면, 카타르 루사일 고속도로 현장과 비슷한 지반조건 및 위치조건에서 디워터링 공법을 적용 시 성공적인 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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