인접굴착시 고려사항 및 인접지반 영향
1. 개요
굴착공사는 기존의 안정되어 있는 원지반의 응력해방 등으로 불안정화되는 상황으로 기존 구조물에 인접시공시 이를 합리적으로 억제시킬 수 있어야 하므로 그에 관한 여러 가지사항을 검토하여야 한다.
굴착 공사시 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.
(1) 주변의 기존 구조물이나 매설물에 인접하여 시공시에는 가설 흙막이 구조물 자체의 안정뿐 아니라 인접구조물에 미치는 영향을 검토한다.
(2) 인접시공시에는 지반특성, 횡토압, 지하수위 변화와 지반손실, 굴착이 주변지반에 미치는 영향, 대상구조물의 특성 등을 고려하여 설계한다.
(3) 인접시공으로 인한 지하수위 변화가 인접 시설물에 영향을 미치는 경우에는 차수식 벽체로 설계하며 이때 지하수에 의한 배면수압을 고려한다.
(4) 주변 지반침하 예측방법은 이론적 및 경험적 추정방법이 있으며 이 중 설계자가 현장여건, 지층조건, 굴착방법, 흙막이벽과 지지체의 형식을 종합적으로 고려하여 선택한다.
(5) 굴착에 의한 배면 지반의 변위를 산정한 후, 허용변위량을 기준으로 인접구조물의 손상여부를 분석하고 필요시 대책을 강구한다.
(6) 근접도 판단기준은 3차원의 문제를 2차원으로 해석하는 문제 등 많은 요소들과 관련있으므로 필요시 3차원적인 지반거동도 고려하여 설계한다.
(7) 피해유형으로 ① 도로 균열, 파손, 단차 / ② 수도관, Gas관 등 파손 / ③ 인접구조물 균열, 경사, 부등침하 / ④ 인사사고, 교통사고 등이 있다.
2. 지반 굴착시 근접정도의 판단
지반 굴착시 기존구조물과 시공시 위치와의 근접한 정도를 판단하는 것은 기존 및 신설 구조물의 종류, 지반조건, 시공방법 등에 따라 다르다.
따라서, 인접 지반의 영향 범위(이완영역)에 대해서 다각적으로 검토하여야 한다.
3. 가시설 토류구조물 자체의 안정성
가시설 토류구조물 자체에 대한 안정성은 인접지반 및 인접구조물에 직접적인 영향을 끼치므로 그 주요사항을 들면 다음과 같다.
(1) 토류벽의 안정성(토압, 수압, 과재하중 등)
(2) 적절한 지지구조(지보재)의 안정성
(3) 가시설 토류구조물 굴착저부의 안정성
• Heaving에 대한 검토 : 점성토지반의 지지력
• Piping에 대한 검토 : 모래지반의 침투압
(4) 기설 구조물이 토류구조물에 끼치는 영향
• 증가 토압추정
• 초기응력 상태 설정
4. 인접 구조물의 허용값
(1) 결정요소
• 구조상 안정성
• 사용상 기능 유지
(2) 허용값 한계 설정
• 최대 침하량 : Sowers
• 부등침하
- 허용부등침하량 : Skempton
- 전도
- 허용각변위 : Bjerrum
5. 부등침하 및 허용각변위 계측시 문제점
- 인접 구조물의 부등침하에 대한 계측 계획 수립시 “구조물 경사계”만을 설치하는 경우가 많다. 이 계측값으로는 굴착에 따른 인접 구조물의 부등 침하 예측은 불가능하고 안정성 검토에만 유용하다.
따라서, 구조물 전체의 부등침하에 대한 계측을 위해서는 안전관리를 하고자하는 구조물 내부에 기준점을 설정한 후 기둥 간에 침하량을 광파 측정기로 주기적으로 정밀 측량을 실시하여 분석을 하면 구조물 전체의 부등침하를 파악하는 것이 가능하다.
6. 인접시공시 고려사항
1) 기존 인접한 구조물이 가시설에 미치는 영향, 인접구조물의 하중에 의하여 증가된 토압을 고려하여 주동토압을 반영
2) 굴착에 따른 주변지반의 영향
토류벽의 변위에 따른 주변지반 침하예측(Caspe 법), 토류벽사이의 지하수 유출 등에 토립자 유출에 의한 지반거동 고려 및 유효응력 증가 고려
3) 인접기설구조물의 침하, 경사 등에 관한 허용치 평가
4) 장비나 발파에 의한 진동, 소음
5) 개략적인 영향거리, 침하량
① 영향거리
- 굴착지반이 양호할 경우 : 영향거리 L ≒ 2H(H = 굴착깊이)
- 굴착지반이 불량할 경우 : 영향거리 L ≒ 4H
② 침하량
- 굴착지반이 양호할 경우 : 0.5%H
- 굴착지반이 불량할 경우 : 2%H
위의 수치는 문헌치이나 과도하게 산정된 면이 있음, 개략적으로 불량한 지반이 양호한 지반보다 4배가량 더 침하량이 생긴다는 정도의 개념으로 잡으면 됨.
6) 토압계수 적용
① 가시설 벽체의 변위를 약간 허용 : K = Ka
② 인접 구조물과 가시설 벽체의 거리(d) > 0.5 × 터파기 깊이(H) : K = 0.5 × (Ka + K0)
③ 인접 구조물과 가시설 벽체의 거리(d) < 0.5 × 터파기 깊이(H) : K = K0
④ 시설물 기초깊이 터파기 깊이 : K = Ka
7. 굴착시 인접지반의 영향
1) 원인
(1) 굴착 전
- 흙막이 벽체 시공시 천공 및 항타 등에 의한 침하
- 지반 그라우팅시 주입압력, Gel Time, 부적절한 약액 주입 등으로 인한 주입 지반의 융기 또는 침하
(2) 굴착 중
- 굴착시 외력(토압, 수압, 하중)에 의한 토류벽 변위로 인한 침하
- 지하수 강하 및 토사 유출로 인한 침하 → 최근의 싱크홀 사고와 연관
(3) 굴착 후
- 지지구조 해체 및 되메우기로 인한 침하
2) 침하 예측 기법
흙막이벽의 변위에 따른 주변 지반의 침하는 흙막이벽 변위의 실측, 또는 계산에 의하여 구하고 이로부터 주변지반 침하를 추정하는 방법과 버팀구조와 주변 지반을 일체로 하여 구하는 유한요소법 또는 유한차분법으로 해석하는 방법이 있다.
(1) 수치 해석법 : 유한요소법, 유한차분법
흙막이벽의 수평변위와 지표면에서의 침하량뿐만 아니라 지반 내 임의의분 할점에서의 변위를 알 수 있는 장점이 있다. 반면에 해석결과는 입력되는 지반의 역학특성, 즉 내부마찰각 φ, 점착력 c 및 탄성계수 E에 큰 영향을 받는다. 또 해석방법, 즉 전응력해석인지 유효응력해석인지와, 탄성해석인지 탄소성해석인지에 따라서도 크게 영향을 받으므로 데이터의 입력과 해석방법의 선정에 유의해야 한다.
(2) 이론적 및 경험적 추정 방법
가. Peck(1969)의 방법
이 방법은 지반의 종류별로 개략의 침하량 분포을 과거의 계측결과로부터 분석하여 추정하는 방법으로 과거 분석 자료가 강널말뚝 같은 강성이 낮은 것을 대상으로 하고 있어 적용에 한계가 있다.
나. Caspe(1966)의 방법
Caspe는 강널말뚝의 변위와 포아송비를 사용하여 벽체배면의 지반 침하량 추정방법을 제안한바 있으며 Bowles는 그 내용을 토대로 다음과 같은 단계로 침하량을 추정하였다.
․ 횡방향 벽체 변위를 계산 (예측치 또는 계측치)
․ 횡방향 벽체 변위를 합하여 변위 체적 Vs 구함
․ 침하 영향권의 횡방향 거리 추정
․ 거리별 침하량 추정
여기서 표면침하량의 식과 거리별 침하량의 식이 기준서마다 조금씩 상이하므로 적용시 유의하여야 한다.
굴착폭 B가 클 경우 영향거리 D도 커져서 통상의 침하영향거리인 굴착 깊이의 2～3배를 넘을 경우가 있으며 그럴 경우 침하의 크기가 줄어들 수 있다. 따라서 침하영향거리의 상한값으로 굴착깊이의 2～3배로 제한할 필요가 있다는 연구결과가 있다.
다. 기타 방법
유한요소 기법을 적용한 Tomlinson(1986)의 방법, 상대밀도 등을 고려한 Bauer의 방법 및 Roscoe와Wroth 등의 소성론 개념에 관한 추정방법이 있다.
8. 결론
(1) 지반굴착에 따른 변형이나 침하요인에 대해 설계시 이들을 고려하여 안정한 구조물이 되도록 해야 하고 시공시 성실시공하여 시공잘못으로 인한 유해한 침하가 없도록 해야 함
(2) 주변침하 예측은 여러 가지로 분석하여 종합평가하며 거리별 침하량, 경사도 등을 구해 표준적인 허용치와 구조물의 노후도, 재질, 침하허용 둥을 고려해서 영향을 평가해야 함
(3) 시공시 계측을 하여 설계 예측치의 확인, 예기치 못한 영향 평가를 하여서 안전시공이 되도록 해야 함