1. 서 론
2. 강재주열벽(MSRC diaphragm wall)의 개발
2.1 도심지 흙막이 벽체의 요구사항
2.2 강재주열벽의 개발
3. 강재주열벽의 휨강도 시험
3.1 휨강도 시험 개요
3.2 시험편의 파괴 형상
3.3 휨강도 시험결과 및 고찰
4. 강재주열벽의 설계
4.1 공칭휨강도 결정
4.2 시험결과를 이용한 설계법 고찰
5. 강재주열벽을 적용한 Top-down 공법
5.1 도심지 지하건축물 가설공법 개요
5.2 강재주열벽과 철골-철근콘크리트 구조를 적용한 Top-down 공법
5.3 시공 단계별 특성의 비교
6. 결 론
1. 서 론
대단위 택지개발 혹은 도시환경정비사업, 도심재개발사업 등에 포함되어 전체 구역이 일괄 개발되는 경우를 제외하고 기존 도심지에서 개별 건축물 혹은 지하주차장을 건설할 경우에는 주변도로와 인접건물의 이용 및 안전을 충분히 고려해야 하므로 흙막이 공사에 의한 지하굴착이 필수적이다.
최근 국토교통부는 사회적으로 크게 이슈 되고 있는 도심지 지하굴착안전성의 확보를 위해서 신규 건축물의 규모, 구조적 특수성, 지반의 안정성 등을 종합 반영한 ‘건축물 안전영향평가’ 제도를 건축법령에 의거하여 의무화하였고, 2016년 입법취지를 고려하여 평가대상 범위를 명확히 규정하는 등 관련제도의 정비와 시행기준 마련에 힘쓰고 있다(MOLIT, 2016). 현행 건축법령에 의한 건축물 안전영향평가는 세부적인 규정 없이 초고층건축물(50층 이상)과 대형건축물(연면적 10만 m2 이상)에 대해서 의무화하고 있으나, 도로와 인접건물이 밀집된 도심지역은 건축법령에서 정하고 있는 규모에 비해 층고와 연면적이 작더라도 여전히 굴착으로 인한 침하 문제가 흔히 발생하고 있다. 또한 2018년 1월 1일부터 시행 예정인 ‘지하안전관리에 관한 특별법(이하 지하안전법)’은 건축물 이외 지하교통시설(터널, 지하차도, 지하철 등), 생활공급시설(상수도, 하수도, 전력, 통신, 공동구 등), 지하상가 등과 같은 지하시설물을 대상으로 지반침하를 예방하고 지하를 안전하게 개발 및 이용하기 위한 안전관리 체계를 강화하고 있다(Lee et al., 2017).
국토교통부와 한국시설안전공단의 연구(Seong et al., 2017)에 따르면 지반조사 부실, 가시설 구조체의 불안정, 차수 및 배수 등 지하수 처리에 따른 불안정, 굴착 시공상의 불안정, 과다 굴착으로 인한 불안정, 관리 소홀의 6가지 항목을 도심지 개착식 굴착공사의 우선 관리 항목으로 선정하고 그 중요성을 강조하고 있다.
본 연구에서는 6가지 우선관리 항목을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 형태의 강재주열벽(Modular Steel- plates Reinforced Concrete diaphragm wall)을 개발하고 휨강도 실험을 통해서 합리적인 설계방법을 제시하였으며 강재주열벽과 철골-철근콘크리트 구조를 적용한 Top-down 가설공법의 개발을 통해서 지반침하를 최소화하면서도 경제적이고 구조적 안전성을 향상시킬 수 있었다. 즉, 최근 이슈된 사회적 요구사항을 반영하여 개착식 굴착공사장 주변의 침하를 최소화할 수 있는 지하건축물 가설공법을 개발함으로써 인접 도로와 지하매설물을 보호하고 주변 건물의 안전성을 확보하며 지역 주민의 민원을 최소화하는 등 도심지 지하굴착 안정성을 증대시키는 것이 본 연구의 목적이다.
2. 강재주열벽(MSRC diaphragm wall)의 개발
2.1 도심지 흙막이 벽체의 요구사항
도심지 지하굴착과 흙막이 벽체와 관련해서는 과거뿐만 아니라 현재까지 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 흙막이 벽체를 이용한 도심지 지하굴착에 관한 연구(Jeon et al., 2013)와 지하굴착 이격거리에 따른 흙막이 벽체의 거동에 대한 실험적 연구(Park et al., 2016)를 통해서 단계별 지하굴착에 따른 흙막이 벽체의 거동과 토압 및 지표침하의 변화를 실험적으로 연구하는 등 현재도 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
Fig. 1은 지하건축물 굴착공사(Down-up 방식) 단계에서 주변도로의 침하 또는 인접건물의 부등침하가 발생한 사례사진이며 이와 같은 도시안전성 저해문제가 최근 사회적 이슈로 크게 대두되고 있다. 한국시설안전공단(Seong et al., 2017)은 최근 이슈를 반영하여 도심지 지하굴착 공사에서 우선적으로 관리해야할 흙막이 벽체의 중요 요구사항을 구체적으로 제시하였다.
지하굴착공사 단계에서 발생하는 주변도로와 인접건물의 침하는 지하수 유출에 따른 지하수위 저하와 배면토사 유출, 적정한 강도를 갖지 못하는 흙막이 벽체의 과도한 변위 발생, 흙막이 벽체 설치단계에서 발생하는 배면 토사 교란 등과 같은 복합적인 원인에 의해서 발생하고 있다(Hwang, 2013).
특히 흙막이 벽체의 차수성능이 부족할 경우에는 Fig. 2(a)와 같이 단계별 굴착저면까지 주변 지하수위가 낮아지기 때문에 지하수 유출에 따른 배면토층의 유실이 발생하고 이로 인해 주변도로와 인접건물이 부등침하 될 가능성이 크다. 그러나 오른편의 Fig. 2(b)는 차수성능이 완벽한 이상적인 흙막이 벽체로써 주변 지하수위가 변화하지 않으므로 흙막이 벽체에 큰 정수압이 작용하게 되므로 강성이 큰 흙막이 벽체가 요구된다. 즉, 주변도로와 인접건물의 부등 침하를 방지하고 매설물 등의 지하굴착 안전성을 확보하기 위해서는 단계별 굴착공사 중의 지하수 유출을 최소화하도록 차수성능이 우수해야만 하며, 이로 인해 증가하는 지하수압 등을 충분히 지지하고 변위가 적게 발생하는 구조적 성능이 우수한 흙막이 벽체가 필요하다.
2.2 강재주열벽의 개발
도심지 흙막이 벽체의 배면 차수벽은 Fig. 3과 같이 저압침투주입공법(0.1~3 MPa), 고압분사공법(20~40 MPa), SCW (Soil Cement Wall)공법이 주로 사용되고 있다. 도로를 이용한 지하시설물의 흙막이 공사에서는 차로 점유를 최소화해야 하므로 침투주입공법과 같은 소형장비를 사용하는 차수공법을 주로 사용하고 있으나 도로와 차단된 지하건축물은 3축오거에 의한 직접교반을 통해서 차수벽 형성의 품질 신뢰도가 높은 SCW를 사용함이 유리하다. 또한 직접교반 방식은 지하수와 토층에 대한 시멘트 주입액 유출을 최소화할 수 있으므로 친환경적이고 고압분사주입을 하지 않으므로 도로와 인접건물 융기가 발생하지 않는다.
지하굴착 이격 거리에 따른 흙막이 벽체의 거동에 관한 이전의 실험적 연구(Park et al., 2016)를 통해서 흙막이 벽체와 근접된 구간에서 지표 침하가 크게 발생함을 확인하였다. 흙막이 벽체 주변의 지표 침하를 최소화하기 위해 개발한 강재주열벽은 위의 SCW 교반체 내부에 이형철근망이 배치된 강재 MSRC 강재 블록을 삽입하고 블록 내부에 콘크리트를 주입 타설, 양생함으로써 기존 흙막이 벽체에 비해서 차수 및 방수성능이 뛰어나며 큰 휨강성을 가질 수 있도록 개발하였다. 3축오거를 이용해서 토사와 시멘트밀크, 벤토나이트액이 직접 교반된 SCW 교반체는 Fig. 4와 같은 MSRC 강재블록이 쉽게 근입될 수 있으며 서울시의 장안동 지하주차장, 마장동 지하주차장, 구로4동 지하주차장, 대방역 지하주차장 등에서 직접 사용되었고 모두 공사가 완료되어 운영 중이다.
MSRC 강재블록은 Fig. 4의 형태로 판금작업과 기계용접에 의해서 표준 Type과 H-Pile Type의 두 종류로 개발하였다. MSRC 강재블록은 폭 914 mm, 두께 3.2 mm의 압연강판을 판금기계에 의해서 암수 끼움이 가능한 “ㄷ”형태의 셀로 제작하며 표준 Type은 4개의 셀을 끼워 연결부를 기계용접하고 H-Pile Type은 H-Pile 좌우로 두 셀을 용접해서 제작한다.
제작된 MSRC 강재블록의 내부에 이형철근망을 배치한 이후 Fig. 5의 순서에 의해서 콘크리트가 양생이면 강재주열벽을 적용한 흙막이 벽체를 완성하게 된다.
Fig. 5와 같이 SCW 내부에 강재주열벽이 삽입되므로 가설공사 면적을 최소화할 수 있고 지하굴착이 완료되면 강재블록의 접합부를 용접 봉합하는 등 SCW와 강재주열벽의 2중 지수 효과로 인해서 완공 이후에도 영구적인 벽체방수 효과를 제공한다. 그러므로 시트방수공정과 거푸집 공정을 생략함으로써 전체 지하건축물의 공사비용을 절감할 수 있다. 또한 MSRC 강재블록과 철골부재를 공장에서 제작하고 현장에서 조립함에 따라 주요 부재의 품질 신뢰도가 높고, 시공성이 우수하며 공사기간을 단축할 수 있다.
강재주열벽을 적용한 흙막이 벽체는 Fig. 4의 강재블록 내부에 보강철근을 배근하고 콘크리트를 충전하기 때문에 합성 및 구속효과를 가지게 됨으로써 전체 흙막이 벽체의 휨강성과 전단강성이 크게 증대되며 이로 인해서 구조적 안전성과 지하굴착 안전성이 크게 향상된다. 이와 같이, 도심지 공사에서 요구되는 지하굴착안전성과 지하수 유출에 따른 지반침하 방지 등 최근의 사회적 이슈를 만족시키면서도 친환경적이고 시공성, 경제성, 품질 신뢰성 등이 우수한 지하건축물 가설공법을 본 연구를 통해서 제시하고자 한다.
3. 강재주열벽의 휨강도 시험
3.1 휨강도 시험 개요
흙막이 강재주열벽의 구성 단면은 Fig. 6과 같이 MSRC 강재블록 내부에 보강철근과 콘크리트로 충전되어 있다. 본 연구에서는 국내 흙막이 벽체 설계법으로 이용되고 있는 허용응력설계법을 대체하고 ACI와 국내 콘크리트구조기준에서 규정하고 있는 극한강도설계법을 강재주열벽의 설계법으로 제시하고자 한다. 그러므로 지하건축물 굴착현장에서 실제 사용될 수 있는 실물 크기의 시험편을 제작하고 강재주열벽의 극한거동과 휨성능을 평가하기 위하여 대형부재 재료시험기를 보유한 국토교통부 첨단건설재료실험센터(계명대학교)에서 2017년 5월 18일에 실시하였다.
Fig. 6의 가압용 UTM (5 MN 용량, 최대 35 m 휨실험 가능)을 사용해서 2점 재하 변위제어 가력시험을 수행하였고 최대 가력하중은 1,000 kN, 하중점간 거리는 1.8 m, 하중재하 속도는 4 mm/min이며 실험중의 안전을 고려해서 부재의 최대 처짐은 150 mm까지로 설정하였다.
실험에 사용된 시험편은 표준 Type MSRC 강재블록으로써 6.5 m 길이로 3기 제작하였으며 외부 강판은 SS400, 항복강도(
)가 240 MPa, 3.2 mm 두께이고 내부 콘크리트의 설계기준강도(
)는 24 MPa, 보강철근의 항복강도(
)는 300 MPa, 철근의 직경은 19 mm를 사용하였다. 이와 같이 시험편 3기를 대상으로 3회 시험을 실시함으로써 개별 부재의 시험편차를 비교할 수 있도록 계획하였다.
Fig. 7은 시험에 사용된 계측장비와 첨단건설재료실험센터의 제어 장비를 나타내고 있으며 각 시험편은 2개소의 강재변형률 측정 게이지와 와이어 침하측정기를 중앙부에 설치하고 계측 PC 모니터링과 센터의 제어계측 장비를 병행해서 사용하였다.
3.2 시험편의 파괴 형상
가압용 UTM에 의한 2점 재하를 통해서 시험편의 최대 수직변위가 150 mm (휨 변형률 ε= 10‰ 이상) 가량 발생할 때까지 재하 하중과 부재의 휨변형률을 측정하였다. 본 실험을 통해서 강재주열벽의 탄성변형률과 극한변형률을 측정함으로써 부재의 탄성강도(ε= 2‰)와 극한강도(ε= 3‰)를 검증함으로써 설계에서 사용될 설계강도의 신뢰도를 높일 수 있었다.
Fig. 8은 시험이 완료된 이후 잔류 처짐의 형태와 인장파괴, 압축파괴 부분의 형상을 보여주고 있다. MSRC 강재 블록의 큰 연성도로 인해서 내부 콘크리트가 파괴되더라도 전체 강재주열벽의 급격한 붕괴가 발생하지 않으므로 극한상태 이상의 큰 하중에 대해서도 큰 안전도를 확보하게 된다. 또한 부재의 극한강도(ε= 3‰) 이상의 하중이 지속적으로 작용할 경우에는 그림 (c)와 같이 부재의 압축부에서 물결모양의 표면 좌굴이 발생하게 되므로 현장에서는 안전도 검측의 중요 척도로 활용할 수 있다.
Fig. 9는 시험편의 파괴형상을 파악하기 위해서 MSRC 강재 블록의 강판을 절개하여 촬영한 것으로써 내부 콘크리트의 파괴형상을 파악하고 각 시험편의 결과를 비교하였다. 3개의 시험편 모두 인장파괴 부분에서는 부재의 횡방향으로 구조적 휨균열이 고르게 발생한 상태이며 압축부에서는 콘크리트의 압축파괴 형상이 발생하였다. 일반적으로 인장부의 휨균열은 폭이 넓고 고르게 발생하기 때문에 유관으로 판별하기 쉽다.
3.3 휨강도 시험결과 및 고찰
MSRC 강재 블록으로 보강된 강재주열벽 처럼 고강도 강판 혹은 탄소섬유시트로 보강된 콘크리트의 구속 및 합성효과를 검증하기 위한 실험적 연구는 다양한 분야에서 연구되고 있다. 건축용 보부재를 고강도 강판으로 보강한 Hypo 합성보에 관한 실험(Cho et al., 2016)과 탄소섬유시트로 보강한 콘크리트 충전강관(CFT) 기둥의 휨내력 실험(Park et al., 2008)을 통해서 대략 22% 가량 휨강도가 증가되는 것으로 분석되었다.
항복강도가 높은 고강도 강재와 탄소섬유시트에 비해서 본 연구에 사용된 저강도 강재(SS400)는 항복된 이후 파단 될 때까지의 연성도와 연신률이 고강도 강재에 비해서 크므로 콘크리트로 인한 구속 및 합성효과가 더 크다. Fig. 10은 본 실험에서 사용된 각각 시험편의 측정결과로써 지간 중심에서 최대 처짐이 150 mm 발생하기까지 수직 재하 하중의 변화를 측정하고 하중을 줄여 변위를 감소시킬 때 최종적으로 발생하는 잔류 변형량을 나타내고 있다. 시험편의 가력하중이 대략 575.3~618.5 kN로 증가될 경우, 중앙 하단부의 인장변형률(ε)이 0.002 즉 2‰ 이 될 때 까지는 탄성거동 범주에 해당하는 것으로 가정할 수 있으며 이 경우를 강재주열벽의 항복강도로 설정하였다.
가력하중이 대략 684.6~710.0 kN로 증가될 경우 최대 인장변형률(ε)이 0.003 즉 3‰로 증가되며 강재주열벽 내부의 콘크리트는 압축파괴가 발생되고 전체 부재가 극한상태에 도달한 것으로 가정할 수 있다. 여기서, 변형률(ε)이 3‰인 상태는 현재 콘크리트구조기준에서 규정한 콘크리트의 극한변형률로써 강도설계법의 기준으로 사용되고 있다. 변형률이 3‰ 이상으로 중앙부의 처짐이 증가할 경우에는 소성변형 즉, 연성도 확보구간이며 최대 150 mm까지 처짐을 증가시켜도 가력하중은 극한상태에서 크게 증가하지 않는다. 또한 최대 처짐이 150 mm까지 도달한 이후에 가력하중을 서서히 감소시켜 시험편의 잔류처짐량을 측정한 결과 각각 100.4~112.2 mm가 발생하였다.
Table 1은 각각의 시험편에 대한 실험결과의 요약표이며 개별 항목에 대한 평균치를 구한 것으로써 극한상태(ε= 3‰)를 기준으로 가력하중의 편차가 평균치 대비 -1.47~2.20%이므로 각각 시험편의 품질 신뢰도가 높다. 특히 극한상태(ε= 3‰) 이후로 가력하여 발생된 처짐 혹은 변형량의 대부분은 하중이 제거된 이후의 잔류변형량으로 남게 됨을 알 수 있다.
각각 시험편의 지간 중앙 하부와 상부에는 시편단 2개씩 강재변형률계를 설치하였고 이를 통해서 하중-변형률도를 Fig. 11과 같이 얻을 수 있었다. 시험편 3기 모두 극한상태(ε= 3‰) 이후 소성상태를 유지하며 큰 연성도를 확보하고 있으며 중앙 하부에 설치된 인장변형률계(Gauge 1, 2, 5, 6)를 통해서 9.7~13.2‰ 이상으로 취성 파괴에 대한 안전도를 확보하고 있음이 확인되었다.
내부 콘크리트의 압축파괴가 발생되더라도 콘크리트로 인한 MSRC 강재 블록의 구속상태는 지속되기 때문에 강재 블록의 큰 연성도로 인해서 전체 강재주열벽의 소성변형 상태는 지속되는 것이다. 즉, 전체 강재주열벽은 극한상태(ε= 3‰) 이후 큰 소성상태를 유지함으로써 불가피하게 작용될 수 있는 외력에 대해서도 급격한 붕괴위험이 발생하지 않게 된다. 중앙부 처짐이 150 mm까지 발생되도록 시험편에 수직하중을 가력한 이후에 서서히 하중을 제거할 경우 중앙 하단부의 잔류변형률은 대략 7.2‰ 이상이었다. 이는 앞의 Fig. 10과 같은 결과로써 소성상태가 지속될 경우에는 증가되는 변형량의 대부분이 잔류변형량이 됨을 알 수 있다.
4. 강재주열벽의 설계
4.1 공칭휨강도 결정
가설흙막이 벽체는 일반적으로 허용응력설계법을 적용해서 간략히 설계하는 것이 일반적이었다. 그러나 본 연구의 휨강도 시험결과에 따르면, 강재주열벽의 극한거동이 콘크리트구조기준의 기본 가정을 만족하고 있으며 흙막이 벽체가 주로 토압과 지하수압 등 동일한 하중조합계수를 사용하는 수평방향 하중에 저항하도록 사용되므로 허용응력설계법에 비해서 합리적인 강도설계법을 손쉽게 적용할 수 있다.
콘크리트구조기준(KCI, 2012)은 휨을 받아 부재가 파쇄될 때 압축연단의 극한변형률을 3‰로 가정하고 있으며 보강철근과 강재의 변형률이 항복강도(
)에 해당되는 변형률 보다 클 경우에 철근과 강재의 응력을 변형률에 관계없이 항복강도(
)로 하고 있다(Shin et al., 2013). 그러므로 휨설계를 위한 강재주열벽의 등가응력 분포도는 Fig. 12와 같으며 MSRC강재블록과 콘크리트의 공칭휨강도를 각각 구함으로써 전체 강재주열벽의 휨강도를 결정하도록 식 (1)~(4)를 제시하고자 한다.
강재주열벽의 휨강도(
)는 휨에 대한 강도감소계수(
)가 적용된 설계 공칭휨강도로써 MSRC강재블록의 공칭휨강도(
)와 내부 콘크리트의 공칭휨강도(
)의 합이다.
내부 콘크리트의 공칭휨강도(
)는 콘크리트구조기준(KCI, 2012) 및 ACI 318-08 코드(ACI, 2008) 등에 의하여 일반적인 콘크리트구조물과 같이 구할 수 있다.
여기서, a: 콘크리트의 등가응력블록 깊이(
이고 
, mm)
MSRC강재블록의 공칭휨강도(
)는 위의 등가응력분포도(Fig. 12)에서 강재블록 부분의 압축력(
)과 인장력(
)의 짝힘모멘트로 구한다.
여기서, 
: MSRC강재블록의 플렌지에 해당하는 부분의 강판 면적(
)
: 강재블록의 수직 복부 부분 1개소의 강판 면적(
)
: 강재블록의 중심으로부터 플렌지 강판의 중심까지 거리(
)
: 강재블록의 중심으로부터 복부의 인장, 압축응력의 중심거리(
)
, 
: 플렌지 중심에서 압축응력, 인장응력의 크기로 플랜지의 평균응력(MPa)
, 
: 중립축을 기준으로 복부에 대한 압축부의 평균압축응력, 인장부의 평균인장응력(MPa)
4.2 시험결과를 이용한 설계법 고찰
식 (2)와 (4)는 콘크리트와 MSRC강재블록의 휨변형률이 단면 중립축으로부터 거리에 비례한다는 강도설계법의 평면보존법칙을 기본 전제로 해서 유도된 것이다. 강재블록의 인장과 압축연단 응력(
, 
)은 강판의 항복강도(
)에 해당하는 변형률(SS400 강재일 경우 약 1.2‰) 이상일 경우에 설계기준 항복강도(
)로 한다. 중립축으로부터 거리에 비례하여 플렌지와 복부판의 평균응력(
, 
, 
, 
)을 산출한 이후 식 (4)에 대입하여 MSRC강재블록의 설계 공칭휨강도(
)를 구한다.
Table 2는 실험을 통해서 측정된 각 시험편의 극한모멘트(
)와 식 (1)~(4)를 통해서 계산된 설계 공칭휨강도(
)를 비교한 것이다. 설계 공칭휨강도에 비하여 시험에 의한 극한강도 값이 평균 46% 가량 안전도를 확보하고 있으므로 강도설계법 적용의 안전성이 휨강도 실험을 통하여 검증되었다. 여기서, 시험편의 극한모멘트(
)는 가압용 UTM에 의해서 실제 가력한 하중조건과 제작된 각 시험편의 지지길이 등 시험 조건을 이용하여 간접적으로 산출한 것을 의미한다.
5. 강재주열벽을 적용한 Top-down 공법
5.1 도심지 지하건축물 가설공법 개요
가설 흙막이 벽체를 사용해서 지하건축물을 건설하기 위해서는 Fig. 13(a)와 (b) 처럼 흙막이 벽체를 가설 버팀부재로 지지하면서 단계별로 굴착해야만 한다. 가설 버팀부재는 버팀보, 어스앵커, 래커 등을 사용할 수 있으나 도심지 지하건축물은 개인 사유재산의 보호, 협소한 굴착공간, 주민 민원 등의 여러 사유로 인해서 아래 그림과 같은 버팀보 시스템이 가장 널리 사용되고 있다. Fig. 13(a)는 가설 보팀보와 중간말뚝을 이용해서 흙막이 벽체를 지지하고 지하건축물의 기초 아래까지 단계별로 굴착을 실시한 이후에 기초 구조물에서부터 상향식으로 설치해 오는 Down-up 방식의 사례사진이다. Fig. 13(b)는 영구 철골부재를 가설재로 활용하며 효율적으로 지하건축물을 건설하는 철골-철근콘크리트 구조의 Top-down 방식 건설 사례사진이다.
국내 도심지 굴착공사에 적용된 Top-down 방식의 시공사례에 관한 연구(Chung et al., 2017), Top-down 공사의 공법요소 선정모델 개발에 관한 연구(Park et al., 2008) 등 이전에 수행되었던 Top-down 공법에 관한 연구에서는 Slurry Wall과 CIP 등 기존 흙막이 벽체를 사용하는 것으로 연구되었다. 그러나 본 연구에서는 SCW와 강재주열벽의 2중 차수, 방수효과를 이용해서 주변 지반의 지하수위 변화를 최소화하고 휨강성이 큰 흙막이 벽체를 개발함으로써 지반 침하를 방지하는 등 도심지 지하굴착에 최적화된 강재주열벽과 철골-철근콘크리트 구조의 Top-down 가설공법을 제시하고자 한다.
5.2 강재주열벽과 철골-철근콘크리트 구조를 적용한 Top-down 공법
도심지 지하건축물의 흙막이 벽체로 주열식 콘크리트공법(이하 CIP)과 Slurry wall을 흔히 사용하고 있다. CIP와 Slurry wall을 개선한 이전 연구(Lee et al., 2012)의 TCM벽체는 시멘트 밀크가 교반된 Soil Cement 내부에 H형강을 삽입하도록 제시하였으나 차수와 구조적 성능이 부족하고 특수한 장비가 필요하므로 보편화 되지 못하고 있다. Fig. 14(a)는 도심지에서 가장 보편적인 CIP 벽체와 버팀보가 설치된 경우이며 버팀보와 띠장의 결합부분 상세“A”를 Fig. 14(b)에서 나타내고 있다. 이처럼, 기존의 Down-up 방식은 흙막이 벽체 배면에 별도 차수공법이 필요하며 개별 CIP부재 또한 토압과 지하수압에 대한 구조 성능이 강재주열벽에 비해서 효율적이지 못하다.
강재주열벽과 철골-철근콘크리트 구조를 적용한 Top-down 가설공법은 SCW 내부에 강재주열벽이 삽입되는 2중 지수 효과로 인해서 가설단계와 완공 이후에도 영구적인 벽체 방수성능을 발휘할 수 있으며 MSRC 강재블록 내부를 보강철근과 콘크리트로 충진함으로써 구조적인 강성증대 효과가 크다. 그러므로 흙막이 벽체의 구조적 안전성과 지하굴착 안전성이 크게 향상되며 지하수 유출에 따른 지반침하 방지 등 최근의 사회적 이슈를 만족시키면서도 시공성, 품질 신뢰성 등이 우수하다. Fig. 15(a)는 Soil cement wall 내부에 강재주열벽을 삽입, 설치하고 영구 철골보를 가설재로 이용해서 흙막이한 경우의 단면도이다. 가설단계의 철골보와 수평보의 결합부분 상세 “A”를 Fig. 15(b)에서 나타내고 있으며 Fig. 15(c)는 외부 철근콘크리트 벽체와 중간 철골보 및 데크슬래브 공사가 완료된 상태를 표현하고 있다.
5.3 시공 단계별 특성의 비교
기존 흙막이 벽체를 사용한 Down-up 방식과 강재주열벽이 사용된 Top-down 방식에 대한 시공 개요도 Fig. 16~18을 이용해서 단계별 주요 특성을 비교, 분석하고 개선 사항을 도출하였다. Fig. 16은 기존 흙막이를 사용한 Down-up 방식의 주요 시공 단계를 보여주고 있다. Fig. 16(a)는 굴착 초기단계로써 흙막이 벽체와 차수그라우팅이 완료되면 부지 내 중간말뚝을 설치하고 버팀보 1단의 가설을 준비한다. Fig. 16(b)는 본격적인 지하굴착 단계로써 버팀보 설치와 하부 굴착을 반복하고 기초 저면까지 굴착이 완료되면 지하건축물의 기초를 설치한다. Fig. 16(c)는 가시설 해체 및 본 구조물 설치 단계로써 아랫단부터 버팀보 해체와 구조물 축조를 반복하며 본 구조물이 완료된 이후에 되메우기 한다.
도심지 지하굴착 안전성을 확보하기 위해서 중점적으로 관리해야 할 항목인 가시설 구조체의 불안정, 차수 등 지하수 처리 불안정, 굴착 시공상의 불안정, 과다 굴착으로 인한 불안정 등의 문제점을 분석(Seong et al., 2017)하고 이를 개선하기 위한 새로운 가설공법을 Fig. 17과 같이 제시하였다. Fig. 17(a)는 굴착의 초기단계로써 SCW와 강재주열벽이 완료되면 아일랜드 컷의 1단계 굴착을 실시하고 철골기둥을 그림과 같이 지중에 매입한다. 철골기둥의 시공오차를 크게 줄일 수 있고 전체 기둥 천공비용이 절감된다. 또한 철골기둥과 보의 결합부까지 공장제작하므로 품질 신뢰도가 높다. Fig. 17(b)는 본격적인 굴착 단계로써 철골부재를 가설재로 이용하며 반복 굴착하고 기초저면까지 굴착이 완료되면 기초를 설치한다. 이와 같이 버팀보와 중간말뚝이 없는 무가시설 공사를 수행함으로써 공사비용을 크게 절감할 수 있으며 강성이 큰 철골부재로 흙막이 벽체를 지지하므로 주변 지반의 침하를 최소화 할 수 있다. Fig. 17(c)는 철골-철근콘크리트 구조체를 완성하는 단계로써 각 철골기둥의 외부에 철근을 배근하고 콘크리트를 타설해서 SRC부재로 개량하고 벽체와 슬래브 등 외부 콘크리트 공사를 실시한다.
Fig. 18은 되메우기가 완료된 이후의 영구상태를 비교, 분석한 것이다. Fig. 18(a)는 Down-up방식에 의한 RC구조의 지하건축물이며 지하수의 침입을 막기 위해서 기초바닥과 상부, 외부벽체까지 시트방수층을 두고 있다. Fig. 18(b)는 본 연구의 강재주열벽과 철골-철근콘크리트 구조의 개요이다. SRC기둥은 철골과 콘크리트의 합성강성이 뛰어나고 철골보에 의한 자중 감소 효과 등으로 인해서 기둥간격을 넓게 그리고 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 SCW와 강재주열벽의 2중 지수 효과로 인해 벽체방수가 필요 없다.
6. 결 론
도심지 지하건축물 공사를 대상으로 최근 이슈된 사회적 요구를 반영하고 개착식 굴착공사 주변의 지반침하를 최소화함으로써 도로와 지하매설물의 보호, 주변 건물의 안전성 확보, 주민 민원 최소화 등을 목적으로 경제적이며 구조적 안전성이 높은 강재주열벽과 철골-철근콘크리트구조를 적용한 Top-down 방식의 가설공법을 개발하였다. 또한 강재주열벽의 휨강도 실험을 통해서 강재주열벽의 합리적인 설계방법을 제시하는 등 본 연구를 수행함으로써 얻은 결론은 다음과 같다.
1.SCW와 강재주열벽에 의한 2중 지수 효과는 주변 지하수위 변화를 최소화하며 흙막이 벽체의 큰 휨강성은 벽체의 수평변위 발생을 억제하므로 지하굴착안전성을 크게 높일 수 있다. 즉, 도심지 지하굴착 공사에 최적화된 흙막이 벽체이다.
2.강재주열벽은 MSRC강재블록 내부가 보강철근과 콘크리트로 충전되기 때문에 합성 및 구속효과를 가지게 되며 휨강도 시험결과, 가력하중이 평균 701.2 kN로 증가될 때 극한상태(ε= 3‰)에 도달하고 이후에도 장기간 소성상태를 유지하는 등 9.7~13.2‰ 이상의 큰 연성도를 확보하고 있다.
3.흙막이 벽체는 일반적으로 허용응력설계법을 사용하고 있으나 강재주열벽의 휨강도 시험결과를 토대로 제시된 식 (1)~(4)을 통해서 설계 공칭휨강도(
)를 산출할 수 있으며 시험결과 대비 46%의 안전도를 확보하고 있으므로 향후 강재주열벽의 설계는 강도설계법을 적용하는 것이 합리적이다.
4.강재주열벽과 철골-철근콘크리트구조를 적용한 Top-down 방식의 가설공법은 영구 철골부재를 가설재로 활용하는 무가시설 공사이므로 경제적이고 공사 기간이 단축되며 시공성 등이 우수하다.
본 연구에서 제시된 강재주열벽 공법은 도심 밀집지역 중 토사층이 깊게 분포하며 지하수위가 높아 지하굴착 위험도가 높은 곶에서 가장 효과적이다. 지하 구조물을 설치하기 위한 지층의 일부분에서 암석층이 위치하고 있는 경우에는 3축 오거의 비트를 변경함으로써 강재주열벽의 설치가 가능하지만 얕은 위치에서 암석층이 조사되는 경우에는 강재주열벽을 대신해서 기존의 흙막이 벽체 공법을 사용하는 것이 합리적이다.
본 연구 결과를 바탕으로 실제 굴착공사에서 발생하는 흙과 벽체의 상호거동에 대한 현장계측과 수치해석을 이용한 역해석 등의 2단계 후속 연구가 진행될 예정이다.
