1. 서 론

도심지 공동구 공사를 수행하려면 수직구 설치가 필수적이나 부지점유 장기화로 인한 교통 혼잡, 수직구 공사 영향에 따른 민원유발, 지하수 유출 등으로 인한 지반 침하(Aksoy, 2008)와 같은 심각한 문제가 빈번히 발생한다(Hong et al., 2016). 특히 굴착면이 상승하는 히빙 현상은 점토와 같은 연약지반에서 주로 발생하며 굴착 깊이가 깊어질수록 주변 지반의 하중이 커져서 발생 위험도가 큰 폭으로 증가하므로 수직구 시공에 반드시 고려되어야 한다. 수직구 굴착 시 발생하는 문제점에 대한 이전 연구들은 수직구 외벽에 작용하는 토압의 특성(Kim et al., 2012; Shin et al., 2005)과 수직구 외벽의 변형(Shin and Sagong, 2007) 등 굴착 이후 구조물의 안정성에 대한 연구가 대부분이며, 연약지반 굴착 중 히빙 현상에 대한 안정성을 고려한 연구는 상대적으로 부족하다. 히빙 안정성에 대한 이전 연구들로는 수직구가 아닌 일반 흙막이 시공 중 히빙에 대한 안전율을 이론식으로 제안한 연구와(Terzaghi and Peck, 1948) 수치해석을 이용한 매개변수 분석을 통해 형상비, 굴착면 하부의 점토층 두께, 벽체의 관입 깊이, 그리고 지반 강도가 히빙 안정성에 영향을 미치는 인자임을 확인한 연구(Goh, 1994, 2017; Khatri and Kumar, 2010)가 있다. 흙막이 공사 중 히빙을 방지하기 위해 제안된 대표적인 방법으로는 외벽을 관입시켜 관내토를 두는 방법과 지반강도를 강화시키는 방법이 있다(Hsieh et al., 2008). 외벽의 관입은 지반강도를 강화시키는 방법에 비해 시공이 간편하기 때문에 많은 수직굴착 현장에서 사용되고 있다. 그러나 아칭현상 등 3차원적 효과를 고려하는 수직구 굴착에 대한 실험적 연구는 매우 부족하며, 수직구 공사에서도 벽체의 관입은 히빙이 발생할 수 있는 연약지반 흙막이 공사에서 사용될 수 있음에도 불구하고 이에 대한 연구 또한 부족한 편이다.

본 연구에서는 국토교통부 연구개발사업의 일환으로 가시설을 설치하지 않고 굴착기의 외벽의 관입을 적용시킨 수직구 굴착공법인 ‘수직구 외주면 선행 굴착공법’(이하 외주면 굴착공법)을 개발하였으며 현재 성능 검증 연구 중이다(Center for Utility Tunnel, 2015). 외주면 굴착공법은 수직구 굴착 시 외주면을 선행 굴착하고 벽체를 관입시킨 후에 굴착을 진행하는 방법이다. 굴착기 내부 흙(관내토)의 깊이를 굴착 중에 일정하게 유지시키면 관내토의 자중이 지반변형을 방지하는 효과를 주므로 굴착 중 지속적으로 지반 안정성을 확보할 수 있다.

이 연구의 목적은 원심모형실험을 통해 ‘수직구 외주면 선행 굴착공법’의 지반 안정성 향상 효과를 검증하는 것이다. 굴착심도가 증가함에 따라 히빙이 발생하는 정확한 시점을 사전에 예측하기 어렵기 때문에 중력가속도를 증가시키며 외주면 굴착기 모형 내부 지반변위를 관찰하였다. 토압, 지반침하, 히빙 변위, 그리고 주변 지반의 거동을 측정하여 관내토의 유무에 따라 지반 거동에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.

이 연구는 실내모형실험을 통한 실험적 연구이나 실제 연약지반 수직구 굴착공사를 원심모형실험을 통하여 적절하게 반영할 수 있었으며, 현장에서 수직구 외주면 선행굴착공법이 효과적임을 충분히 나타낼 수 있을 것으로 생각된다.

2. 원심모형실험

2.1 개 요

원심모형실험은 축소모형과 지반에 중력가속도를 인위적으로 가하여 실제 지반의 복잡한 거동을 모사하는 실험이다. 깊은 심도의 지반 모사나 대형 지반구조물의 설계와 시공 사이에 존재할 수 있는 지반거동의 차이를 해소하는 것이 가능하며, 한계상태에서의 파괴 과정 또한 관측할 수 있기 때문에 수치해석이나 현장에서 구현하기 힘든 상황의 특성 또한 확인이 가능하다는 장점이 있다(Kim et al., 2013). 원심모형실험은 중력가속도의 증가와 함께 상사비에 따라 확대/축소된 상황의 지반거동을 모사하게 되며, 주요 물리량은 Table 1과 같다. 상사비 법칙에 따르면 Ng의 중력가속도가 적용되는 상황에서 실제 크기의 1/N 배의 길이를 가진 모형은 1 g상태의 실제 상황과 같은 응력 상태를 나타낸다(Schofield, 1980; Taylor, 1995). 원심모형실험 장비는 프랑스 ACTIDYN SYSTEMS SA사의 C72-2 모델이다(Fig. 1, Table 2 참조).

Table 1. Similitude ratio of major factors

Fig. 1.

Centrifugal model test equipment

Table 2. Centrifugal model test equipment

2.2 실험 방법

수직구 굴착 중에 발생하는 히빙을 관측하기 위하여 반단면 실험을 수행하였으며, 외주면 굴착기 모형과 토조의 한쪽 면을 아크릴로 제작하여 내부의 변화를 실시간으로 관측할 수 있도록 하였다. 외주면 굴착기의 외벽은 스테인리스 강판으로 제작하였으며 두께가 있는 내벽은 3D 프린터로 제작하였다(Fig. 2). 모형의 규모는 실제 외주면 굴착기 크기의 1/50 이다(높이 = 40 cm, 내경 = 20 cm).

Fig. 2.

Test equipment

수직구 외주면 굴착 중 지반의 거동을 측정하기 위한 계측장비로는 레이저 변위센서(Keyence사 IL-300), 토압계(SSK사 P310), 액션카메라(Gopro사 Hero4)를 사용하였다. 레이저 변위센서는 히빙 관측 용도로 외주면 굴착기 모형 내부에 1개(H1), 주변지반의 침하량을 계측하기 위한 용도로 3개가 사용되었으며, 지반 침하는 외주면 굴착기 모형의 외벽으로부터 8, 16, 24 cm 위치한 지점을 대상으로 측정되었으며 각각 S1, S2, S3로 표시하였다. 토압계는 외주면 굴착기 모형 벽체의 바깥쪽 표면에 부착하였으며 굴착면으로부터 5, 10, 15, 20 cm 아래에 위치시켰으며 각각 P1, P2, P3, P4로 표시하였다. 액션카메라는 외주면 굴착기 모형 내부와 주변 지반의 변화를 2초간격으로 촬영하였다(Fig. 3, Table 3). 액션카메라를 통해 촬영된 정면 사진은 이미지 분석 프로그램인 PIVlab을 이용하여 지반변위의 크기와 방향을 분석하는데 사용되었다. 이미지 분석 중 지반 변형을 원활하게 확인하기 위해 지반의 색과 상반되는 흰색 격자망을 토조 전면부 아크릴면 내부에 설치하였다.

Fig. 3.

Sensor installation overview

Table 3. Sensor installation details

수직구 외주면 굴착기의 벽체 관입을 통한 관내토의 히빙에 대한 지반안정 효과를 검증하기 위하여 관내토가 없는 모델 A와 관내토가 있는 모델 B로 나누어 실험을 수행하였다. 관입된 벽체의 깊이는 50 mm 로, 외주면 굴착기 모형 내경의 25%인 값으로 설정하였다(Fig. 4). 원심모형실험 중 중력가속도는 최종적으로 50 g까지 증가되며, 10 g에서의 장비 안정화 이후 2 g/min 의 일정한 비율로 증가한다(Fig. 5).

Fig. 4.

Test models

Fig. 5.

Gravitational acceleration variation with time

2.3 지반 조건

히빙 현상이 주로 발생하는 연약지반 모사를 위해 여수 해안 점토를 사용하였다. 시료의 점착력은 연약지반을 조성한 후 동일한 조건의 시료를 이용하여 비배수비압밀 삼축압축시험(ASTM. D. 2850-03a, 2007)을 수행하여 그 값을 구하였다. 시험지반은 Fig. 6과 같이 입경 가적 곡선의 기울기가 급하며 균등한 입경이 혼합되어 있는 불량한 입도 분포를 나타내었다(ASTM. D. 6913-04, 2009). 통일분류법 분류 결과, 이 연구에서 사용된 시료는 CH에 해당하는 점성토로 분류되었다. 여수 해안 점토시료의 지반특성은 Table 4와 같다(ASTM. D. 4318-93, 1994).

Fig. 6.

Particle size distribution curve

Table 4. Soil properties

3. 실험 결과

3.1 히빙 및 지반 침하

외주면 굴착기 모형 내부의 관내토로 인한 히빙의 제어효과를 확인한 결과, 모델 A와 모델 B에서 관측된 지반면의 높이 상승에 큰 차이가 확인되었다. Fig. 7, 8은 중력가속도가 50 g에 도달할 때까지 히빙으로 인해 외주면 굴착기 모형 내부에 흙이 유입되면서 생기는 지반면 높이의 변화이다. 외주면 굴착기 모형 중심부 레이저 센서가 측정하는 지점을 기준으로 지반면의 높이를 비교하였으며, 측정값이 증가하기 시작한 시점을 히빙 발생 시점으로 가정하였다. 관내토가 없는 모델 A의 경우 히빙은 중력가속도가 12.4 g에 도달했을 때 발생하기 시작하여 50 g에 도달하기까지 지반면의 높이가 59 mm 증가했으며 1.84 mm/g의 비교적 일정한 증가율을 보였다. 관내토가 있는 모델 B의 경우 히빙은 약 27 g의 중력가속도에서 발생하기 시작했으며 50 g까지 히빙으로 인해 증가된 지반면의 높이는 약 15.32 mm이다. 히빙이 발생한 순간부터 50 g에 도달하기까지 평균적인 지반면 융기 변위의 증가율은 0.67 mm/g이다. 관내토의 설치로 인해 50 g에서의 지반면 융기 변위는 약 75%, 평균 증가율은 약 64% 감소하였다.

Fig. 7.

Basal heave at 50 g

Fig. 8.

Ground elevation change by basal heave

한 지점에서의 변위 측정 결과가 히빙으로 인한 지반면 융기 전체를 대표하기 어려우므로 지반면이 융기된 부피를 추정하였다. 50 g의 중력가속도에 도달했을 때 히빙으로 인해 지반면이 융기된 형상은 촬영된 전면부 사진과 레이저 센서의 계측 값을 이용하여 이차함수로 표현하였다(Fig. 9). 히빙으로 인해 지반면이 융기될 때 지반면의 중앙부분에서 가장 큰 높이 상승이 있고 중심선에 대칭인 이차함수 그래프 형태로 융기된다고 가정하였으며 반단면 실험임을 고려하여 180°회전체의 부피를 계산하였다. 관내토가 없는 모델 A에서는 790 cm³, 관내토가 있는 모델 B에서는 165 cm³의 지반면 융기가 나타났으며, 관내토로 수직구 내경의 25%를 채우는 경우 관내토가 없는 경우보다 융기량이 79% 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 9.

Ground elevation shape

Fig. 10은 실험 중 발생한 지표면 침하를 굴착기 모형으로부터의 거리 별로 측정한 결과이다. 모델 B의 실험 시 외주면 굴착기 모형의 벽체로부터 24 cm 거리에 위치한 레이저 센서 S1에 오류가 발생하여 계측하지 못했다. 모델 A의 경우 히빙이 발생한 후 세 센서의 지반침하 계측 값이 서로 다르게 증가했으며 외주면 굴착기 모형 벽체와 가까운 위치일수록 더 큰 지반 침하량을 보였다. 모델 B에서는 히빙이 비교적 적게 발생하였고 그로 인해 생기는 침하량 또한 적게 측정되었다. 또한 히빙으로 인한 흙의 유입이 적어 주변 지반의 침하에 큰 영향을 주지 못했기 때문에 외주면 굴착기 모형의 벽체로부터 8, 16 cm 떨어진 두 센서의 계측 값은 큰 차이를 보이지 않았다.

Fig. 10.

Ground subsidence measurement result

3.2 토 압

중력가속도가 증가함에 따라 수평토압 측정치는 선형으로 증가하는 모습을 보였다(Fig. 11). 이 실험에서는 히빙으로 인한 지반의 융기, 즉 지반의 움직임으로 인해 정지토압보다 약 10% 작은 크기의 토압이 측정되었다. 두 모델의 토압은 측정한 모든 깊이에서 유사한 값을 보였으며 히빙 발생으로 인한 영향이 거의 없는 것으로 보인다.

Fig. 11.

Earth pressure measurement result

4. 결과분석 및 토의

Fig. 12.

Result of image analysis

4.1 주변 지반 거동 분석

액션카메라로 촬영한 모델 A와 모델 B의 전면 사진을 PIVlab 이미지 분석 프로그램을 이용하여 분석하였고(Thielicke and Stamhuis, 2014) 주변 지반의 거동을 시각적으로 확인하였다(Fig. 12). 지반 변위는 원심모형실험 중 하중의 증가와 지반의 히빙으로 인하여 유발되는 것으로 추정되며, 모델 A와 모델 B는 관내토의 유무에 따라 서로 다른 지반거동 양상을 잘 나타내었다. 모델 A와 모델 B의 변위벡터를 비교해본 결과 모델 B의 변위벡터의 크기는 상대적으로 작으며 주로 연직방향으로의 변위를 나타내었다. 그러나 모델 A의 변위벡터의 크기는 상대적으로 크며 히빙에 의해 외주면 굴착기 모형 하부에서 굴착기 모형 내부로 토사가 이동하는 모습을 잘 나타내고 있다. 이러한 굴착기 주변지반의 거동 양상은 외주면 굴착기 내부의 관내토가 히빙의 발생을 적절하게 제어하기 때문으로 추정된다. 따라서 모델 B의 표층지반의 침하와 외주면 굴착기 내부 토사의 융기량이 모델 A의 침하와 융기량 보다 매우 작게 나타났다.

4.2 침하량 분석

모델 A, B에 대하여 히빙이 발생한 12.4 g, 27 g, 그리고 최종 중력가속도인 50 g에 해당하는 지반침하를 8 cm (S1), 16 cm (S2)의 위치에서 비교하였다(Fig. 13). 중력가속도의 증가에 따라 모델 A와 모델 B에서의 지반침하는 비교적 일정한 비율로 증가했으며, 측정 지점에 따라 그 비율이 미소하게 변화하였다. 그러나 중력가속도와 측정 지점에 무관하게 관내토를 설치한 모델 B에서 관내토가 없는 모델 A에 비해 약 40% 적은 지반 침하가 발생하였다.

Fig. 13.

Comparison of ground subsidence of two models at various g-level

Fig. 14는 지반침하 측정값을 가우시안 함수를 적용하여(Table 5) 나타낸 침하 형상이다. 외주면 굴착기 모형의 벽체 외부(100 mm)부터 지반이 위치하며, 벽체로부터 먼 거리의 지반은(600 mm) 히빙에 영향을 받지 않고 중력가속도에 의한 압축 또는 압밀 침하만 발생한 것으로 가정하였다. g-level이 증가함에 따라 지반 침하량이 증가하며, 히빙 발생 이후에는 외주면 굴착장비 모형과 가까운 지반에서 더 큰 침하가 발생하였다. 두 모델을 비교했을 때 동일한 중력가속도에서 히빙 발생 이전의 압축 또는 압밀로 인한 침하량은 유사하나, 히빙 발생 후 벽체와 가까운 지점의 침하량이 큰 차이를 보였다. 침하그래프를 기준으로 침하된 부피를 계산하였으며(Table 6), 부피 계산 시 지반침하는 굴착기 모형과 지반의 형상을 고려하여 Fig. 14와 같은 침하 형상이 y축을 기준으로 180°구간에 동일하게 형성되어 있다고 가정하였다. 두 모델의 지반 침하 부피를 비교하면 관내토가 없는 모델 A에 비해 관내토를 설치한 모델 B의 침하 부피는 12.4 g에서 63%, 27 g에서 81%, 50 g에서 74% 로 감소했으며, 이를 통해 관내토의 설치가 지반침하 부피의 감소 효과를 나타냄을 확인하였다.

Fig. 14.

Ground subsidence shape at various g-level

Table 5. Equations of ground subsidence shape

Table 6. Ground subsidence volume at various g-level

5. 결 론

이 연구는 연약지반 굴착 중 관내토의 유무가 히빙 발생에 미치는 영향을 확인하여 수직구 외주면 선행 굴착공법의 지반 안정성 향상 효과를 확인하기 위한 연구이다. 이를 위하여 여수 점토를 사용한 원심모형실험을 통하여 중력가속도를 증가시켜 가며 실제 굴착 상황을 모사하였으며, 관내토가 없는 모델과 관내토가 내경의 25%만큼 채워진 모델을 사용하여 관내토에 따른 지반침하 양상을 정량적으로 분석하였다. 도출된 주요 결과는 다음과 같다.

1.원심모형 실험에서 관내토가 없는 모델에서는 중력가속도가 12.4 g에 도달했을 때, 관내토가 있는 모델에서는 27 g에 도달했을 때 히빙이 발생했다. 50 g까지 수행한 실험에서 관내토로 인해 g-level에 따른 지반면 변위의 평균 증가율은 약 64% 감소하였다.

2.중력가속도와 측정 지점에 무관하게 관내토를 설치한 모델 B에서 관내토가 없는 모델 A에 비해 약 40% 적은 지반 침하가 발생하였다.

3.관내토의 설치는 히빙으로 인한 침하 부피를 12.4 g일 때 63%, 27 g일 때 81%, 50 g일 때 74% 로 감소 시키는 것으로 나타났다. 지반 융기량은 50 g에서 관내토가 없는 경우보다 79% 감소하는 것으로 나타났다.

4.원심모형실험 결과 관내토의 설치에 의한 지반면 변위의 크기와 변위증가율의 감소 및 침하부피와 융기량 감소 효과를 충분히 확인 할 수 있었다. 점토와 같은 연약지반에서 가시설을 설치하지 않고 수직구 굴착을 수행하는 경우 관내토의 설치가 히빙으로 인한 지반면 침하와 지반의 융기를 충분히 제어할 수 있는 것으로 나타났다.

5.g-level의 증가는 굴착 심도와 토압의 증가와 유사하며, 관내토가 있는 경우 더 큰 g-level에서도 히빙에 안정하다. 변위제어에 효과적인 관내토의 깊이는 지반의 종류, 수직구의 직경 및 깊이에 따라 다를 수 있으나, 이 연구에서와 같이 관내토를 수직구 내경의 25% 깊이로 유지한 경우 상대적으로 더 깊은 굴착 심도까지 히빙에 대한 지반의 안정성을 보장할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 ‘수직구 외주면 선행 굴착공법’이 히빙에 대한 지반 안정성 효과를 충분하게 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.

6.이 연구는 비록 모형시험에 의한 것이나 실제 현장에서의 거동도 이와 유사할 것으로 판단된다. 추가적으로 수직구 굴착에 의한 3차원 아칭효과 등이 반영된 실제 현장 규모의 거동과 더욱 가깝게 연구하고 굴착 상황에 따른 관내토의 효과에 대해 고려하기 위하여 추가적으로 이론적인 연구와 수치해석에 의한 검증이 필요하다.