1. 서론
교각은 교량상부 하중을 지반에 전달하는 역할을 하는 구조물로서 기초형식은 대부분 말뚝기초와 직접기초로 설계된다. 즉 지지층의 심도가 깊은 경우 말뚝기초로 지지층의 심도가 얕은 경우 직접기초로 계획된다.
하천부에 시공되는 직접기초 교각은 상부하중이 크므로 일반적으로 풍화암층(N=50)이나 연암층에 기초가 위치하게 되며, 기초의 근입깊이는 지지층의 심도에 따라 다르나 보통 3~7m 정도이다.
또한 지지층 상부토사는 투수성이 큰 세립사질토나 모래, 자갈로 구성되어 있고 지하수위가 높은 특징이 있다.
따라서, 하천부에 시공되는 직접기초 교각을 시공하기 위해서는 상기 조건을 고려한 적절한 굴착공법이나 굴착가시설이 요구되는데, 설계시 이를 고려하지 않고 굴착가시설을 설계하거나 굴착방법에 대한 설계를 누락하는 경우가 종종 발생한다.
예를 들면, 직접기초 교각가시설에 Sheet Pile + Strut공법을 적용하여 Sheet Pile을 지지층(풍화암층, 연암층)에 1.5~2.0m 근입하도록 설계된 경우가 많은 데, Sheet Pile은 지지층에 항타가 곤란하므로 지지층에 근입하기 위해서는 고가의 Water Jet장비를 이용하여야 한다.
이러한 경우, 공사비도 고가이고 시공속도 및 시공성이 매우 불량할 뿐아니라, 지지층이 연암일 경우에는 Water Jet장비를 이용하여도 사실상 근입이 어렵다.
따라서, 다음 항목에 지하수 유출이 많은 하천부에 시공되는 직접기초 교각을 시공하기 위한 적절한 굴착공법이나 굴착가시설 공법에 대하여 언급하고, 실제 현장적용 사례를 예시하였다.
2. 직접기초 교각의 굴착공법
1. Open Cut 공법
▷ 공법개요
교각기초 지지층까지 사면안정성이 확보되는 구배(보통 1:1.5)로 굴착하고 기초를 타설하는 공법이다. 유출수는 바닥에 집수정을 설치하여 펌핑한다.
▷ 적용성
- 교각 주변에 여유부지가 충분히 있어야 하며, 밀실한 사질토나 점성토 지반
- 주변에 지장물이 없고 지하수 유출로 법면이 일부 유실되어도 문제가 없는 경우
- 유출되는 지하수량이 적어 펌프로 펌핑이 가능한 경우
▷ 장,단점
- 공정이 단순하고 시공이 용이하다.
- 공사비가 저렴하고 공기가 빠르다.
- 지하수 유출이 많은 곳에서는 적용이 곤란하다.(주로 둔치부에 적용)
- 굴착면적이 넓어 세굴방지용 자갈로 되메우기 할 경우, 자갈이 과다 소요됨
- 일반적으로 하천부에서는 본 공법을 적용 가능한 경우가 드물다.
2. Open Cut + 차수벽 공법
▷ 공법개요
법면상단부에서 지지층 상단까지 차수벽체(그라우팅이나 Sheet Pile)를 설치하고 Open Cut(구배1:1.5)으로 굴착한 후, 교각기초를 타설하는 공법이다. 바닥에는 집수정을 설치하여 펌핑한다.
▷ 적용성
- 교각주변에 여유부지는 있으나 지하수 유입이 많아 굴착이 어려운 곳
- 주변에 지장물이 없고 법면이 유실되어도 문제가 없는 경우
- 주로 둔치부에 적용하며 유심부에는 적용이 어렵다.
▷ 장,단점
- 시공이 용이하고 구조물 시공시 작업성이 좋다.
- 지하수 유출이 많은 곳에서도 적용이 가능.
- 차수벽체 시공면적이 넓어 공사비가 고가.
- 차수벽체가 지지층에 근입되지 않아서 완벽한 차수는 어려우므로 일부 유출수는 펌핑이 필요.
- 세굴방지용 자갈로 되메우기 할 경우, 굴착면적이 넓어 자갈이 과다소요
3. H-PILE+STRUT 공법
▷ 공법개요
본 공법은 지하수유입량이 펌핑할 수 있을 정도로 작고, 배면지반에 침하가 발생하여도 별 문제가 없는 경우, 일반적으로 쓰이는 H-PILE+STRUT 공법을 그대로 적용하여 굴착하는 방법이다.
▷ 작업순서
- 소정의 위치에 천공장비(T-4)로 계획심도까지 천공
- H-PILE을 삽입
- 지지보(STRUT)을 설치하면서 단계별 굴착
- 바닥에 집수정을 설치하여 유출수를 펌핑하며 교각기초를 타설
▷ 적용성
- 교각주변에 여유부지가 없고 지하수유출이 적은 둔치부에 적용가능
- 배면토사가 지하수와 함께 유출되어 H-PILE 배면에 침하가 발생하여도 문제가 없는 경우.(즉 배면에 지장물이 없는 경우)
▷ 장,단점
- 시공이 용이하고 공사비가 저렴하다.
- 지하수 유출이 많은 곳에서는 적용이 어렵고 구조물 시공시 작업성이 떨어짐
- 유출수를 펌핑하고 유출토사를 제거하며 작업하여야 함
4. SHEET-PILE + WATER JET공법
▷ 공법개요
본 공법은 SHEET-PILE 선단에 고압의 WATER JET 장비를 부착하여 항타로 근입이 어려운 지지층 저부까지 SHEET-PILE을 근입하는 공법이다.
▷ 작업순서
- SHEET-PILE 선단에 고압의 WATER JET 장비를 부착 고압으로(분사압: 200 ~700 kg/cm², 분사속도: 300m/sec) 지지층을 절삭하며 SHEET-PILE를 계획심도까지 삽입
- 지지보(STRUT)을 설치하면서 단계별 굴착 후, 교각기초를 타설
▷ 적용성
- 교각주변에 여유부지가 없고 지하수 유입량이 많은 경우
- 지지층이 풍화암인 경우에 적용이 가능하고, 연암인 경우에는 사실상 근입이 어렵다.
▷ 장,단점
- 차수효과가 비교적 우수하며 기초타설 작업이 용이함
- 장비 및 공정이 복잡하고 시공속도가 매우 느리다.
- 장비가 고가이고 작업성이 떨어지므로 경제성면에서 매우 불리
5. H-PILE+ SHEET-PILE 공법
▷ 공법개요
전면에 H-PILE+토류판을 시공하여 강성벽체로 이용하고, SHEET-PILE은 H-PILE 배면 지지층 상부까지 항타로 근입하여 차수벽 역할을 하는 공법이다.
▷ 작업순서
- 천공장비(T-4)로 계획심도까지 천공 후, H-PILE 을 삽입
- H-PILE 배면 지지층 상부까지 SHEET-PILE 를 항타로 근입
- 지지보(STRUT)을 설치하면서 단계별 굴착하고, 토류판과 SHEET-PILE 사이에는 토사를 채우거나 지지목을 대어줌
- 단계별 굴착 완료 후 교각기초 타설
▷ 적용성
- 지하수 유입량이 펌핑할 수 없을 정도로 많은 둔치부나 유심부
- 지지층이 연암이상인 경우에도 적용 가능
▷ 장,단점
- 지지층이 연암이상일 경우에도 적용가능하며 유심부에서도 시공가능
- 완벽한 차수는 되지 않으므로 일부 유출수는 펌핑을 하여야 한다.
- 공정이 다소 복잡하고 시공이 어렵다
- 차수효과가 비교적 양호하며 WATER JET나 그라우팅 공법에 비해 경제성이 좋다.
6. H-PILE+ 배면GROUTING공법
▷ 공법개요
H-PILE+토류판을 강성벽체로 시공하고, H-PILE 배면에는 지지층 상부까지 L.W나 S.G.R GROUTING (2열)을 실시하여 차수하는 공법이다.
▷ 작업순서
- 천공(T-4)장비로 계획심도까지 천공 후, H-PILE 을 삽입
- H-PILE 배면에 지지층 상부까지 L.W나 S.G.R GROUTING (2열)을 실시
- 지지보(STRUT)을 설치하면서 단계별 굴착완료, 후 교각기초 타설
▷ 적용성
- 지하수 유입량이 많은 둔치부나 유심부.
- 지지층이 연암이상일 경우에도 적용가능
▷ 장,단점
- 타 공법에 비해 차수성 우수하고 연암층에서도 적용가능.
- 공정이 복잡하고 공사비가 고가.
- 투수계수가 큰 모래자갈층이나 지하수 흐름이 빠른 곳에서는 그라우팅이 어렵거나 효과가 떨어짐.
2. 현장적용 사례
1. ○○현장 ○○천교 교각(PIER #2)가시설
▷ 개 요
당 현장 교각기초(PIER #2)는 풍화암층에 직접기초로 설계되어 있는 데, 굴착고(GL-8.2m)가 깊고 주변에 여유부지가 없으며, 지하수위가 높고 투수성이 큰 지반이므로 차수성 굴착가시설이 요구된다.
따라서 원 설계시 PIER #2는SHEET-PILE + STRUT공법으로 굴착가시설이 설계됨.
▷ 문제점
원 설계대로 SHEET-PILE를 풍화암층에 근입하기 위해서는 고가의WATER –JET장비를 이용하여야 하는 데, 이럴 경우, 공사비가 너무 과다하고 공사기간도 길어서 전체공정에 문제가 발생.
▷ 적용안
본 현장의 경우, 상기 언급한 SHEET-PILE 공법의 문제점(공사기간 및 경제성)을 해결할 수 있고, 차수성이 비교적 양호한 H-PILE+ SHEET-PILE 공법을 적용하여 공사를 수행함. 굴착가시설 단면도 및 평면도는 다음과 같다.
2. ○○도로현장 ○○교 교각(PIER #1,2,3) 가시설
▷ 개 요
당 현장 ОО교 둔치부 교각기초(PIER #1,2,3)는 GL-6.5m 연암층에 거취되는 직접기초로 설계되었다. 지층은 상부로부터 퇴적토층(SP), 모래질자갈층(GP), 연암, 경암층으로 성층되어 있으며, 상부 토층은 느슨내지 보통의 상대밀도를 가지고 있다. 원 설계시 PIER #1,2,3의 굴착공법은 OPEN CUT 공법으로 설계됨.
▷ 문제점
원 설계대로 OPEN CUT 공법으로 굴착도중 지하수 유출에 의해 법면이 계속 붕괴되어 공사를 진행할 수 없었으며, 굴착면적이 넓어 되메움시 세굴방지용 자갈이 과다하게 소요되는 문제점이 발생.
▷ 적용안
본 현장의 경우, 지하수 유출량이 펌핑으로 해결할 수 있을 정도로 적고 교각주변에 지장물이 없어 배면지반이 침하되어도 별 문제가 없으므로 경제성을 우선적으로 고려하여 H-PILE+STRUT 공법을 적용하였고, 유출수는 펌핑에 의해 배출하며 공사를 수행함.
3. 맺음말
하천부의 지층은 대부분 지하수위가 높고 투수계수가 큰 사질토 지반이므로 여기에 직접기초로 설계된 교각을 안전하게 시공하기 위해서는 차수뿐만 아니라 지반조건, 작업성, 공기 및 경제성 등을 종합적으로 비교,검토하여 현장여건에 적합한 굴착공법을 선정하는 것이 매우 중요하다.
따라서 본 고에서 언급된 굴착공법 및 현장적용 사례를 참고로 하여, 현장에서 이러한 문제에 직면할 경우, 현장여건에 적합하고 경제적인 굴착공법을 선정하는 데 조금이나마 도움이 되었으면 한다.