토류벽 굴착 시의 침하 원인과 대책, 연약지반에 터널 시공을 위한 입갱 공사 시 문제점과 대책

8.9 토류벽 굴착 시의 침하 원인과 대책

8.9.1 개요

지하굴착을 위해 시공하는 토류벽 공사 시 발생하는 피해로는 진동과 소음, 침하, 지하수의 저하 등이 있는데 이중 가장 큰 피해로는 침하로서 이것을 완전히 방지한다는 것은 거의 불가능한 일이나 원인과 대책을 강구하여 피해를 최소화해야 한다.

8.9.2 침하 발생의 원인

1) 지반조사 및 설계 미흡
① 지반조사 시 지층 판단 잘못, 실시 수량 부족, 지반의 점착력, 전단저항각, 지반반력계수 등 부적절한 평가, 지하수위나 지반 경사 충분치 못한 고려로 설계자료 미흡함.
② 기초자료 미흡함에 따라 설계계산이 아무리 잘 되어도 계산 예에 불과하므로 토류구조물에 과다한 토압으로 변형 및 지반침하가 발생함.
③ 따라서 지반조사는 정성스럽게 시행되어야 하고 설계 정수를 근거에 의해 합리적으로 판단해야 함.
④ 구체적 변형 원인은 벽체의 강성부족, 버팀대의 압축, 좌굴, 연결부 부실, 근입깊이 부족, Earth Anchor의 정착장 부족, 강선 부족 등임.
2) 시공상의 원인
① 진동: 토류벽 시공 시 진동으로 사질토 침하, 점성토의 전단강도 감소
② 과도한 굴착: 굴착 깊이를 한쪽에 대해 크게 하면 편토압 발생과 토류벽에 큰 휨모멘트가 생겨 변형되므로 가급적 과굴착은 삼가야 함.
③ 배면 공극과 이음부: 토류판 설치 시 배면 공극, Sheet Pile의 이음불랑, C.I.P, S.C.W의 차수 및 겹침부 불량 등에 의한 배면 이동과 지하수와 함께 토사유출이 생기므로 배면은 공극이 없도록 뒤채움하고 연결부와 차수공은 정밀 시공함.
④ Heaving Boiling 발생: 근입깊이를 적게 하는 경우 점성토는 Heaving, 사질토는 Boiling이 생기고 이 경우는 흙막이의 전체적인 파괴로 발전되므로 주의해야 함.
⑤ 배수: 배면 측의 지하수의 굴착 저면 또는 흙막이벽을 통해 누수되는 경우 배면 지반의 유효응력이 커져 침하가 발생하게 되며 사질토보다는 점성토 지반이 침하량이 큼에 유의해야 함.
⑥ 토류벽 인발: H-Pile, Sheet Pile을 공사 완료 후 인발 시 처리 불량에 의해 변형이 생기므로 모래나 모르타르 채움으로 공극이 없게 해야 함.
⑦ 기타: 주의 매설물의 뒤채움 불량으로 굴착 시 지반이완, 상수도관, 하수관 등의 누수도 있을 수 있음.

8.9.3 침하 방지대책

1) 토류판 설치 배면은 깬자갈과 모래, 혼합물 등으로 뒤채움을 하거나 콘크리트를 타설한다.
2) 침하가 작은 공법을 선정, 굴착 즉시 지보공설치, 연결부나 bracing 정밀 시공, 설계조건이 다른 경우 변경 설계 후 시공.(침하의 발생 크기는 지하연속벽<C.I.P<S.C.W<Sheet Pile<H-Pile 토류판벽의 순이다.)
3) Underpinning, 지반보강 실시
4) 근입깊이 증가, 지반개량 실시
5) 연결부 정밀 시공, 차수공 실시
6) 차수 및 지반보강 실시
7) Sheet Pile이나 H-Pile인 발 후에는 모래나 모르타르 채움 실시

8.9.4 근접시공시의 고려사항

1) 기설 구조물이 토류가설구조에 끼치는 영향, 기설 구조물의 하중에 의한 지반의 지중 응력 상태 즉 증가 토압을 추정하여 주동토압을 고려
2) 굴착에 의한 주변 지반의 영향
3) 인접 기설 구조물의 침하, 경사 등에 관한 허용치 평가
4) 장비나 발파에 의한 진동, 소음
5) 개략적인 영향 거리, 침하량

8.9.5 평가

(1) 지반굴착에 따른 변형이나 침하요인에 대해 설계 시 이들을 고려하여 안정한 구조물이 되도록 해야 하고 시공 시 성실 시공하여 시공 잘못으로 인한 유해한 침하가 없도록 해야 함.
(2) 주변 침하예측은 여러 가지로 분석하여 종합 평가하여 거리별 침하량, 경사도 등을 구해 표준적인 허용치와 구조물의 노후도, 재질, 침하허용 등을 고려해야 영향을 평가해야 함.
(3) 시공 시 계측을 하여 설계 예측치의 확인, 예기치 못한 영향 평가를 하여서 안전 시공이 되도록 해야 함.
8.10 연약지반에 터널 시공을 위한 입갱 공사 시 문제점과 대책
운행 중인 지하철 Box에 근접하여 새로운 지하철 터널을 건설하고자 한다. 편토압을 받고 연약지반에 터널 시공을 위한 입갱 공사 시 물음에 답하시오.

8.10.1 시공 시 문제점과 대책

1) 토류벽변형에 의한 침하와 측방유동
① 토류벽굴착에 따라 변형은 필수적으로 발생하게 되며 이에 따라 침하와 편토압에 의해 측방유동이 발생할 수 있음.
② 이와 같은 큰 변형이 생기고 측방유동이 발생하면 토류벽은 물론이고 운행 중인 지하철에도 전체적인 붕괴 사고가 생길 수 있음에 유의해야 함.
③ 벽체 변위, 유동압저항을 위해서는 Slurry Wall 같은 강성이 큰 토류벽을 사용하는 것이 필수적이며 탄소성 해석을 하여 시공단계별 응력-변위 관계를 파악하고 필요시 강도 보강 Grouting, 기존 지하철에 Under Pinning을 적극적으로 검토해야 함.
④ 유한요소해석에 의한 수치해석을 하여 영향볌위, 붕괴 형태, 변위 크기 등을 전체적으로 판단하고 보강 후 단면과 비교하여 안전 시공이 되도록 해야 함.
2) 굴착저면의 Heaving 발생
① 근입깊이 부족으로 Heaving이 생기면 지하철에 계산상 구할 수 없는 큰 침하가 예상되므로 근입부 안정은 상당히 중요한 문제임.
② Heaving 검토는 Terzaghi, 모멘트 균형 방법으로 검토하고 필요시 굴착저면을 개량하는데 점토로 일반주입공법은 주입설이 불량하므로 심층 혼합 처리, 고압 분사 공법에 의해 개량하여 전단강도를 중가시키거나 근입깊이를 사력층 상단까지 연장해야 함.
3) 사력층 피압에 의한 융기 발생
① 하부사력층에 피압이 예상되므로 피압정도를 조사해서 굴착 저면 점토층 두께 무게와 비교해서 판단함.
② 조건에 대해 적당한 안전율이 확보되어야 한다.
③ 이때 지중 연속벽을 사력층에 관통하면 피압으로 Slurry Wall 시공 자체가 곤란하게 됨.
4) 지하수 저하로 인한 압밀침하 발생
① 지하수 유출로 토립자 유출, 유효응력 증가로 압밀침하가 생기며 모래층보다 침하 크기가 크게 됨.
② 토류벽 배면에 차수 및 지반 강도 증진 Grouting을 하거나 지중 연속 벽으로 시공함이 요망됨.
5) 따라서, 지반변형, 침하, 지하수 유출 등을 고려할 때 지중 연속 벽으로 시공함이 요망됨.