근접시공시의 문제점

5.1 근접시공의 문제점

지하철(개착 및 터널), 건물 지하층, 지하공간 개발, 성토공사 및 지반개량 등의 시공에 있어 발생하는 문제점은 심각한 환경문제(소음, 진동, 분진, 지하수 오염) 뿐만 아니라, 지하 수위 저하 및 수맥의 차단과 인접지반 이완 등의 문제를 필연적으로 수반하며, 특히 도시 지역에는 지상, 지하에 기존 구조물이 위치하고 있어 시공으로 인하여 어떤 형태로든지 영향을 미치게 된다.
이 중에서도 가장 문제가 되는 것은 시공 현장 인접 지반에 변형을 유발하는 것이며 이에 따라 기존 구조물에는 예기치 않은 피해를 주게 된다는 것이다. 따라서 이를 방지하기 위한 많은 연구가 지난 30년간 수치 해석적 방법과 실물 크기 시험을 통하여 괄목할만한 발전을 이루어 왔으나, 흙이나 암반의 특성 예측의 난점, 수치해석 방법의 한계성 및 대상 구조물의 특성 파악 등이 어려워 정성적 예측은 어느 정도 할 수 있게 됐으나, 정량적 예측은 아직도 요원한 상태에 있다. 이러한 문제는 비단 근접시공의 문제뿐 아니라 모든 지반공학 문제에서 당면하는 문제이며, 이는 흙이나 암석의 특성 때문에 생기는 문제로서 지반공학자의 고민이자 지반공학을 다루는 큰 보람이기도 하다.

5.2 강성벽체와 연성벽체의 항복 거동

근접 시공을 위하여는 우선 강성벽체와 연성벽체의 항복 거동의 이해가 중요하며, 단계별 굴착에 따른 토압 예측이 필수적이므로 이에 대하여 충분한 이해가 필요하다.

5.3 근접 시공에서 고려할 사항

굴착공사는 기존의 안정된 지반을 불안정화 시키는 행위로 볼 수 있으므로 근접시공에서 고려할 사항은 이를 합리적으로 억제할 수 있어야 하므로 그에 관한 여러 가지 사항을 검토하여야 한다.

5.4 굴착인접지반의 침하

1) 원인
(1) 흙막이 벽체 및 중간 말뚝 설치로 인한 침하 (굴착전)
(2) 굴착 시 외력(토압, 수압, 하중)에 의한 토류벽 변위로 인한 침하 (굴착중)
(3) 지하수 강하 및 토사 유출로 인한 침하 (굴착중)
(4) 지지구조 해체 및 되메우기로 인한 침하 (굴착중)
(5) 지반 보강 시 약액주입으로 인한 침하 또는 상승 (굴착전)
(주입압력, Gel Time, 부적절한 약액 주입으로 인한 arching effect 등에 의한 기존 구조물의 침하 등)
(6) 시공상의 문제 (굴착중)

5.5 굴착에 따른 인접지반 지표침하에 관한 기존 연구 요약

1) 개요
(1) 고려사항: 지반 조건, 흙막이 벽체 및 지지구조
(2) 제안사항: 벽체 최대 수평 변위, 지표침하랑(변위 속도) 침하영향 거리

5.6 변위 속도와 축력변화 속도에 의한 근접시공 예측기법

1) 지표침하 속도
(1) 인접 지표에 균열만 발생했던 경우
① 일정한 경과일(1~3주 이상) 동안 발생한 변위량 증분을 경과일로 나눈 경우, 0.4mm/day 이상이면 문제 발생의 기준으로 볼 수 있음.
② 굴토 초기부터 완료 시까지 계산한 경우 0.3mm/day 이상을 문제 발생기준으로 볼 수 있음.
(2) 최대피해가 발생한 단면의 경우 지표침하 속도는 약 1.0mm/day 정도인 계측기록 있음.
(3) 문제가 발생한 단면의 수평 변위 속도는 일반 단면에 비해 약 1.6~3.6배의 값을 나타낸 경우 있음.
(4) 위의 결과로부터 변위량 증가가 일정하게 계속되는 경우 문제 발생 여부 판단의 기준으로 불 수 있음.
2) 굴착 시 안정성 확보를 위한 계측관리기준 제안
설계 및 경험적 결과로 얻은 추정된 변위량이나 축력에만 의존하는 대신 공사 중 경과 시간에 따른 측정값으로 곡선 형태, 변위 속도 및 축력의 변화 속도 등을 종합적으로 활용하는 것이 합리적이다.

5.7 경사 지반에서의 굴착의 문제점

1) 토류벽단면도
(1) 문제점
가. 굴착 시에도 1:1.5 경사가 안전한가 (사면선단 변위)
나. 상단토류벽 근입깊이 검토 시의 문제점(하단굴착시 근입부의 변위)
2) 굴착 깊이와 수평 변위와의 관계 측정 결과
(1) 굴착시에도 1:1.5 경사 및 상단근입깊이가 안전하도록 설계하고 엄지말뚝을 보강한 경우에도 굴착단계별 토류벽 및 배면 지반 수평 변위는 굴착 깊이의 (1.0~3.0%) H에서 발생
(2) 배면 지반이 수평인 경우의 (0.5%) H보다 (3.0%) H로 6배 크게 나타남
(3) 부득이한 경우가 아니면 적용이 불가한 구조임

5.8 근접시공이 변형 거동에 관한 기타 문제

1) Long Corner Strut 설치 시 문제
(1) 길이가 보통 25 m 이상일 때 문제 발생 되는 경우가 대부분임.
(2) Corner Strut 위에 협소한 장소 관계로 과재하중을 재하시키면 문제가 더욱 심각함.
(3) 띠장에 심한 변위가 발생하고 심할 경우 붕괴에 이른 경우가 허다함.

5.9 돌출부 구간의 지보재 설치 조건에 따른 벽체의 거동 특성

1) 개요
굴착 평면상 돌출부 구간의 경우 굴착 시 직사각형 굴착 평면과는 다른 벽체의 거동이 발생하나, 설계 시 획일적으로 경사 버팀대를 적용하여 흙막이 벽체 지지 구조상 매우 불안정한 형태로 시공되어 문제점이 발생하는 경우가 다수 발생하고 있다. 따라서, 돌출부에서의 벽체 변위를 효과적으로 억제할 수 있는 최적의 지보설치 방법의 제시를 목적으로 하였다.
2) 돌출부에 경사 버팀대 설치 시 벽체의 변위 특성 분석 결과
(1) 돌출부에 경사 버팀대를 설치한 경우 돌출부에서의 벽체 변위는 지보재를 설치하지 않은 경우에 비하여 돌출부의 크기에 따라 약 5~13% 정도 감소하는 것으로 나타난 경우도 있어 경사 버팀대로 인한 변위 억제 효과는 크게 미흡한 것으로 나타난다.
(2) 지보재의 설치 방향이 벽체 변위 및 토압의 합력 방향과 직각 방향으로 설치되었기 때문으로 나타났는데, 경사 버팀대의 설치 구조상 벽체 연직방향 분력은 변위를 억제하였지만 수평 방향 분력은 오히려 변위를 일으키는 힘으로 작용한다.