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문제 정의
- 특히 도심지 건축 구조물 시공을 위한 지반 굴착 공법은 굴착 현장 주변의 지하철, 지장물 등의 영향과 대심도 굴착을 고려하여 재래식 공법 외에 기존 Top-Down 공법을 응용한 내부 영구 버팀대 공법 개발이 빠르게 진행되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 현재 국내에서 사용되고 있는 기존 Top-Down공법, New Top-Down공법, S.P.S(Struts as Permanent System), B.R.D(Bracket supported R.c Downward) 및 S.T.D(Strut Top Down) 등을 재래식 버팀대(Strut) 또는 지반 앵커(Ground Anchor)공법과 비교･검토 하였다. 현재 각 현장에서 사용된 공법을 재래식 버팀대 또는 지반 앵커 공법으로 시공 시 공사비와 공기를 비교･검토하고 시공 시 벽체의 변위를 설계 기준과 비교하여 그 안정성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 현재 국내에서 가장 많이 쓰이고 있는 Top-Down 공법 및 개량 Top-Down 공법 중 New Top-Down 공법, S.P.S 공법, B.R.D 공법 및 S.T.D 공법 등의 시공 사례를 비교･분석하여 기존 재래식 버팀대 공법과의 공사비, 공기 및 안정성을 비교･분석하였다.
- 이와 같은 비교 조건에 따라 공법 중 경제성과 시공성에서 제일 우수한 것을 찾기보다는 재래식 공법과의 비교를 통해 향후 각 현장 조건에 맞는 개량 공법을 찾는데 주안점을 두고자 한다. 또한, 각 공법은 공기 및 공사비 외에 제일 중요한 안정성이 모두 확보되었음을 현장 계측기를 통하여 확인하였다.
제안 방법
- 각 현장이 굴착 심도, 지반 조건 및 공사 시작 시점이 달라 서로 상대평가에 의한 비교･분석이 불가함으로 각 공법과 재래식 버팀대 공법을 서로 비교･분석하였으며 현장의 안정성 분석은 현장 시공 시 계측한 벽체 변위의 변화를 국내 설계 기준과 비교･검토하였다.
- 국내 건축 구조물 시공을 위한 지하 굴착현장에서 Top-Down 공법, New Top-Down 공법, S.P.S 공법, B.R.D 공법 및 S.T.D 공법 등을 이용한 굴착 현장을 선정하여 재래식 버팀보 공법과 공사비 및 공기를 비교･검토하였다. 모든 굴착 현장이 굴착 심도, 굴착 형상, 지층 조건 및 공사 시점 등이 동일한 조건하에 이루어 질 수 없음으로 공법별 실제 소요된 공사비 및 공기와 설계사와 시공사가 선정한 재래식 공법으로 시공 시 산정된 공사비 및 공기를 비교･분석하여 시공성과 경제성을 비교･분석하였다.
- D 공법 등을 이용한 굴착 현장을 선정하여 재래식 버팀보 공법과 공사비 및 공기를 비교･검토하였다. 모든 굴착 현장이 굴착 심도, 굴착 형상, 지층 조건 및 공사 시점 등이 동일한 조건하에 이루어 질 수 없음으로 공법별 실제 소요된 공사비 및 공기와 설계사와 시공사가 선정한 재래식 공법으로 시공 시 산정된 공사비 및 공기를 비교･분석하여 시공성과 경제성을 비교･분석하였다. 또한, 공사 중 흙막이 벽체 계측 자료를 토대로 안정성을 검토한 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 공법 시공 순서는 P.R.D(Percussion Rrotary Drilling) 또는 R.C.D(Reverse Circulation Drill)로 설치된 H형강 기둥에 Bracket을 설치하고 그 위에 Double Strut(H형강)을 세그먼트로 차례로 조립하여 벽체를 지지함으로써 횡방향 토압을 지지토록 한다. Double Strut 상부에서는 골조를 형성하는 거푸집 등의 지지틀과 콘크리트 타설 등의 연직 하중도 지지하게 된다.
- 본 현장은 견고한 풍화대가 조기 출현하고 지하수위가 낮아 강성차수벽체의 필요성이 적어 시공성, 경제성을 고려하여 C.I.P 공법을 적용하였다.
- 본 현장은 풍화암 및 기반암이 조기 출현하므로 지하 연속벽 적용 시 Underpinning 등에 의한 시공성 및 경제성이 저하됨으로 흙막이 벽체를 D/Wall 보다 경제적인 H-Pile + C.I.P를 적용하였다.
- Top-Down 공법이 적용된 본 현장은 지하 5층, 지상 24층 규모의 주상복합 신축공사 현장으로 공사 개요는 다음 Table 1과 같다. 본 현장의 경우 굴착 지반의 투수성이 크고 흙막이 벽체 형성이 까다로운 모래자갈층이 깊게 분포하고 있으며(Fig. 9), 인접되어 8F/B1의 교회 건물과 하부 말뚝 기초가 근접되어 지반 변위로 인한 인접 건물의 안정성과 민원발생을 최소화하기 위해 강성 벽체인 지하 연속벽(Diaphragm Wall)과 건축 슬래브(Slab)에 의한 지지 공법을 적용하였다. 본 현장 굴착 평면과 대표 단면은 Fig.
- 본 현장의 경우 매립층 및 퇴적층이 두껍게 분포하나 견고한 지층(풍화암, 기반암)이 굴착 심도의 중간 정도에서 출현하며 지하 층고가 상대적으로 낮아 가설 벽체인 C.I.P를 적용하였다.
- 일반 Top-Down 공법이 적용된 본 현장을 재래식 공법으로 시공하였을 때와 공사비 및 공기를 비교･검토하였다. 본 현장의 공사기간은 약 29개월 공사비는 약 55억 정도 소요되었다.
- 지하철이 인접되어 있고 매립층 및 퇴적층이 두껍게 분포하는 현장 여건을 감안하여 고압 분출 방식의 차수 벽체인 J.S.P(Jumbo Special Pattern) Grouting(C.T.C 800)을 시공하여 차수 및 지반 강성을 증대시켰다. 대표적인 굴착 평면과 단면은 Fig.
- D(Strut Top Down) 등을 재래식 버팀대(Strut) 또는 지반 앵커(Ground Anchor)공법과 비교･검토 하였다. 현재 각 현장에서 사용된 공법을 재래식 버팀대 또는 지반 앵커 공법으로 시공 시 공사비와 공기를 비교･검토하고 시공 시 벽체의 변위를 설계 기준과 비교하여 그 안정성을 분석하였다.
- 현장별 사례 분석을 통하여 개량된 Top-Down 공법들이 적용된 각 현장에서 재래식 공법과 공사비 및 공기를 비교･검토한 후 Table 6에 요약･정리 하였다. 흙막이 굴착 현장의 굴착 조건 즉 지층 조건, 굴착 심도, 굴착 규모 및 기후 등이 모두 동일한 조건에서 비교･검토하는 것이 불가능함에 따라 각 설계사와 시공사가 산정한 재래식 공법과의 공사비 및 공기를 기준으로 분석하였다.
대상 데이터
- B.R.D 공법이 적용된 본 현장은 지하 5층, 지상 10층 규모의 업무시설 신축공사 현장으로 공사 개요는 다음 Table 4와 같다.
- New Top-Down 공법이 적용된 본 현장은 지하 7층, 지상 15층 규모의 업무시설 신축공사 현장으로 공사 개요는 다음 Table 2와 같다.
- S.P.S 공법이 적용된 본 현장은 지하 7층, 지상 15층 규모의 판매시설 신축공사 현장으로 공사 개요는 다음 Table 3과 같다.
- S.T.D 공법이 적용된 본 현장은 지하 7층, 지상 23층 규모의 업무시설 신축공사 현장으로 공사 개요는 Table 5와 같다.
- Top-Down 공법 및 Now Top-Down 공법에서 개량된 S.R.C 구조로 시공된 S.P.S 공법이 적용된 본 재건축 현장의 공사기간은 약 14개월, 공사비는 약 35억 원 정도 소요되었다. 재래식 버팀대 공법으로 시공 시 설계사와 시공사에서 산정한 공사비 및 공기와 비교하였을 경우 공기는 약 75%, 공사비는 약 91% 정도에서 공사를 완료하였다.
- Top-Down 공법이 적용된 본 현장은 지하 5층, 지상 24층 규모의 주상복합 신축공사 현장으로 공사 개요는 다음 Table 1과 같다. 본 현장의 경우 굴착 지반의 투수성이 크고 흙막이 벽체 형성이 까다로운 모래자갈층이 깊게 분포하고 있으며(Fig.
- 본 현장의 지층 조건은 상부로부터 매립층, 퇴적층, 풍화암 및 기반암의 층서로 구성되어 있으며 평균적으로 지표하약 21.0m 심도에서 기반암이 출현하고 있다. 본 현장의 지층 현황 및 대표 지층단면도는 Fig.
- 본 현장의 지층 조건은 상부로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암 및 기반암의 층서로 구성되어 있으며 평균적으로 지표하 약 -19.0m 심도에서 기반암이 출현하고 있다. 본 현장의 지층 현황 및 대표 지층 단면은 Fig.
- 본 현장의 지층 조건은 상부로부터 매립층, 퇴적토(풍화토), 풍화암 및, 기반암의 층서로 구성되어 있으며 평균적으로 지표하 약 -21.9m 심도에서 기반암이 출현하고 있다. 본 현장의 지층 현황 및 대표 지층단면도는 Fig.
- 본 현장의 지층 조건은 상부로부터 매립층, 풍화암, 기반암의 층서로 구성되어 있으며 평균적으로 지표하 약 9.0m 심도에서 기반암이 출현하고 있다. 본 현장의 지층 구성 상태 및 대표 지층 단면은 Fig.
성능/효과
- (1) 각 공법이 적용된 현장을 비교･분석하면 굴착 심도가 깊고 암반층이 지표면에 가까운 경우 재래식 버팀대 공법(Strut, Ground Anchor 공법)보다는 영구식 내부 지지체 공법(개량된 Top-Down 공법) 등이 시공성과 공기면에서 정성적으로 양호한 것으로 나타났다.
- (2) 각 현장들 중에 지하 층고가 일반적인 건물보다 높은 경우(기계실 등) 또는 Slab Open 구간이 많은 지하층인 경우 가설 버팀대 즉, Strut, Ground Anchor 및 Nail 등을 혼합하여 사용함에 따라 공사비 면에서는 재래식 버팀대 공법과 유사한 것으로 나타났다.
- (3) 현재 국내에서 사용하는 내부 지지 버팀대 공법은 벽체의 강성이 재래식 공법보다 다소 강성인 공법을 사용함에 따라 벽체의 변위 발생량이 적으나 토사층과 풍화암층의 경계부 또는 풍화암과 기반암의 경계부에서 다소 많은 벽체 변위가 발생함을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 각층 경계부에서의 지하수 누수와 이에 동반하는 토사 누출 및 과굴착 등이 그 원인으로 추정된다.
- (4) 해외 사례와 비교할 때 비약적으로 발전된 국내 영구지지 흙막이 굴착 기술은 아직도 토목 및 건축 기술자들의 업무 분야를 명확히 할 필요가 있는 것으로 판단된다. 그 이유는 흙막이 벽체 및 지지체에 작용하는 토압의 크기는 토목기술자가 검토하고 이를 지지하는 내부 지지체는 건축 구조 기술자가 검토하는 매우 민감한 부분들에 대한 상호 이해관계가 밀접하기 때문으로 추정된다.
- 그리고 일반적인 재래식 버팀보 공법과 비교할 경우는 공기는 약 76%, 공사비는 재래식 버팀대 공법과 비슷하게 발생되어 있다. 그 원인을 살펴보면 본 현장은 회사 사옥으로 Open 구간이 넓고 높은 층고로 인하여 Raker 공법 등의 보조 공법이 적용되어 가시설 비용은 타개량 Top-Down 공법 보다 다소 증가된 것으로 판단된다.
- D 공법이 적용된 본 현장의 공사 기간은 약 27개월 공사비는 약 64억 원 정도 소요되었다. 그리고, 설계사와 시공사가 산정한 일반적인 재래식 버팀보 공법과 비교할 경우는 공기는 약 92%, 공사비는 약 70% 정도로 공사비 부분에서 양호한 효과가 나타난 것을 알 수 있었다.
- 또한 굴착공사 수행 시 지하 연속벽 벽체 변위는 급격한 변화 없이 서서히 증가하여 최대 16.81mm의 수평 변위가 발생하였으며 각변위(δ/H)는 1/1,127로(새길이엔시, 2005-2010) 통상의 규준치 0.2% H(1/500)보다 안정적으로 관리되었다(Fig. 10).
- 이와 같은 비교 조건에 따라 공법 중 경제성과 시공성에서 제일 우수한 것을 찾기보다는 재래식 공법과의 비교를 통해 향후 각 현장 조건에 맞는 개량 공법을 찾는데 주안점을 두고자 한다. 또한, 각 공법은 공기 및 공사비 외에 제일 중요한 안정성이 모두 확보되었음을 현장 계측기를 통하여 확인하였다.
- 본 현장의 지하수위는 계측 결과 초기 G.L-10.5m에서 최종 굴착 시 GL-13.2m 내외로 약 3.0m 저하되어 지반조건이나 계절적인 변화에 관계없이 지하연속벽의 차수 효과가 비교적 양호한 것을 알 수 있다.
- 본 현장의 공사기간은 약 29개월 공사비는 약 55억 정도 소요되었다. 설계사 및 시공사에 따라 그 기간이나 금액이 다소 차이가 있을 수 있으나 설계사 및 시공사가 재래식 공법으로 시공하였을 때와 비교･검토한 결과 공기는 약 93%, 공사비는 약 90%로 산정되었다. 즉 본 재래식 버팀대공법과 비교･검토 시 약 공기는 7%, 공사비는 약 10% 정도의 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
- 슬래브에 작용하는 축력은 RC 슬래브가 바로 설치됨으로 설치 직후 최댓값을 나타내고 다소 큰 값을 보였으나 최대 2.83Mpa이 발생, 허용치(0.4fck=10.6Mpa)보다는 작았다.
- 재래식 버팀대 공법으로 시공 시 설계사와 시공사에서 산정한 공사비 및 공기와 비교하였을 경우 공기는 약 75%, 공사비는 약 91% 정도에서 공사를 완료하였다. 이 결과를 분석하여 보면 가설 버팀대를 설치하는 기간이 단축되어 공기 단축 효과가 양호하였음을 알 수 있었다.
- 설계사 및 시공사에 따라 그 기간이나 금액이 다소 차이가 있을 수 있으나 설계사 및 시공사가 재래식 공법으로 시공하였을 때와 비교･검토한 결과 공기는 약 93%, 공사비는 약 90%로 산정되었다. 즉 본 재래식 버팀대공법과 비교･검토 시 약 공기는 7%, 공사비는 약 10% 정도의 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
- 지하연속벽의 변위는 B.R.D 공법 특성상 거푸집설치를 위한 굴착고가 높아 흙막이 벽체의 변위가 다소 빠르게 나타났으나 최종굴착고에서 최대 41.28mm의 수평 변위가 발생해 각 변위(δ/H)는 1/508로 통상의 규준치(1/500)와 유사하게 관리되었다.
후속연구
- (5) 공법별 안정성 분석에 있어 향후 흙막이 벽체 변위에 대한 안정성 이외에 각 증 Slab에 설치되는 콘크리트 응력계 또는 Strain Gage에 대한 정밀한 연구 분석이 필요할 것으로 판단된다. 국내에서 흙막이 벽체에 설치되는 경사계 및 지하수위계는 범용적으로 사용되어 그 해석과 신뢰성에 문제가 없으나 콘크리트 응력계나 Beam에 설치되는 Strain Gage는 공사 중 타격, 온도 등에 민감하여 그 결과치 오차가 비교적 큰 것으로 해석되었다.
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