버팀대 선행하중공법 설계 및 시공 지침서

(주) 스마텍엔지니어링

1. 일반사항

최근들어 토지를 효율적으로 활용하기 위하여 근접시공이 증가하고 있으며, 동시에 굴착심도 또한 깊어지고 있다.  이처럼 지반을 굴착하게 되면 주변지반은 침하하게 되며, 이러한 주변지반의 침하는 지반의 굴착깊이가 증가할수록 더욱 커지는 경향을 보이게 된다.   따라서 최근과 같이 근접시공 및 대심도 굴착이 진행되는 상황에서는 주변지반의 침하로 인하여 인접구조물에 피해가 야기되면서 많은 민원들이 제기되고, 그로 인하여 공사가 중단되는 사례가 빈번히 발생한다.

굴착공사시 주변지반이 침하하는 원인으로는 흙막이벽의 휨변형 및 이동에 의한 것, 지하수위 저하로 인한 지반의 압밀침하에 의한 것, 흙막이벽으로부터 토사가 유출됨에 의한 것, 보일링이나 히빙현상에 의한 것 등을 들 수 있다.  여기서 압밀이나 토사유출과 관련된 주변지반의 침하는 차수성 흙막이벽을 시공하여 어느 정도 억제할 수 있으나, 흙막이벽의 휨변형 및 이동으로 인한 주변지반의 침하는 현재 국내에서 일반적으로 이용되고 있는 버팀대공법으로는 억제에 한계가 있는 실정이다.

기존의 버팀대 굴착공법은 벽체가 내측으로 이동하는 것을 버팀대를 이용하여 억제하고자 하는 것이지만 측압에 의해 버팀대에 축력이 작용하기 때문에 탄성압축변형, 크리프변형, 지보재들간의 연결부 틈새 등이 폐합됨에 의한 변형이 필연적으로 발생하게 된다.  이들 변형에 의해 주변지반이 침하하게 되고, 침하량이 어느 한도를 넘어서면 사고가 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 현재 선진 각국에서는 버팀대에 일정 크기의 선행하중을 작용시켜 흙막이벽을 배면방향으로 밀어준 후 굴착을 진행하는 버팀대 선행하중공법의 사용이 늘고 있다.

선행하중공법은 버팀대에 미리 일정한 크기의 축력을 작용시켜 지보재들간에 존재하는 틈새들을 폐합하고, 선행하중량에 대응하는 량만큼의 버팀대의 탄성압축변형 등을 미리 발생시킴으로써 그 만큼 흙막이벽의 휨변형량을 줄여 주변지반의 침하량을 작게 하고자 하는 방법이다.

버팀대 선행하중공법의 효과는 주변지반의 침하를 최대한 억제시킬 수 있다는 것 이외에도 버팀대의 유효강성의 증가와 벽체의 휨응력을 감소시키는 등의 효과가 있다.  따라서 기존 버팀대 굴착공법보다 버팀대의 설치간격을 넓게 할 수 있으므로 지보재의 사용량 감소로 인한 공사비 절감과 함께 작업성 향상으로 인한 공사기간을 단축할 수 있게 된다.

국내 굴착현장에서 버팀대 선행하중공법을 적용한 현장들 중 3개소에서 흙막이벽의 변위를 측정한 결과에 의하면 굴착깊이에 따른 최대수평변위의 평균값은 0.1%였다.  따라서 흙막이벽의 휨변형 및 이동으로 인한 주변지반의 침하를 억제하기 위하여 버팀대의 설치수량을 증가시키거나 흙막이벽의 강성을 증가시키는 방법들보다 버팀대에 선행하중을 작용시키는 것이 효과적이었다. 그러므로 국내에서도 최근 스크류잭보다는 선행하중잭을 활용하는 현장이 점차 증가하고 있는 실정이다.

2. 버팀대 굴착공법

현재 국내에서 보편적으로 이용되는 버팀대 굴착공법은 그림 1에 제시한 바와 같이 흙막이벽을 시공한 후, 굴착작업시 띠장과 버팀대를 거치하고, 띠장과 버팀대의 한쪽 단부사이에 스크류잭을 설치한 다음, 인력에 의해 스크류잭의 나사부를 돌려서 버팀대와 흙막이벽을 밀착시키는 방법이다.

그림 1.  스크류잭을 이용한 버팀대 굴착공법

버팀대에 스크류잭을 설치하는 목적은 버팀대의 최종치수를 조절하고, 버팀대 설치시 버팀대의 이완을 방지하며, 해체시 버팀대를 이완시키기 위한 것 등이다.  스크류잭을 이용하여 버팀대의 최종치수를 조절하는 것은 가능하나, 스크류잭의 나사부의 회전력으로는 버팀대와 버팀대의 연결부, 버팀대와 띠장의 연결부, 띠장과 흙막이벽의 연결부, 흙막이벽과 배면지반 등에 존재하는 틈새를 대부분 제거할 수 없고, 단지 버팀대가 헐거워 흔들리지 않도록 하게 하는 정도이다.  따라서 사진 1에 제시한 바와 같이 연결부에 틈새가 남게 되고 결국 측압이 작용하게 되면 그 틈새가 밀착되어 흙막이벽에 과도한 변형이 발생하게 된다.

사진 1.  지보재들간의 연결부에 존재하는 틈새

띠장과 버팀대 사이에 허용내력이 100톤인 스크류잭을 설치하고 햄머로 스크류잭의 나사부를 돌렸을 때 발생하는 회전력에 의해 버팀대에 작용시킬 수 있는 선행하중의 크기는 3～10톤 정도였으며, 5톤 이상을 작용시키기는 힘들었다8).  일반적으로 스크류잭이 띠장과 버팀대의 한쪽 단부사이에 설치되므로, 중간말뚝과 버팀대 간의 마찰력에 의한 손실을 고려하면 스크류잭에 의해 그 반대편 단부에 전달되는 선행하중의 크기는 매우 미미하다고 할 수 있다.  따라서 스크류잭으로는 선행하중의 효과를 발휘하기 힘들뿐만 아니라 틈새들을 최소화하기에도 미흡함을 알 수 있다.

한편 일본토질공학회에서 발간된 根切り․山留め․仮締り入門(1981)에 따르면 지보재들간의 연결부 틈새에 대하여 다음과 같이 언급하고 있다.  「버팀대에 선행하중을 재하할 때 버팀대의 수축량을 측정하여 보면 실측한 수축량이 탄성변형량의 수배가 된다.  실제로 버팀대의 길이가 수십 m가 되면 실측한 수축량이 수십 mm에 이르는 경우가 있으므로 이 값이 흙막이벽의 변형에 있어 결코 무시할 수 없는 것임을 알 수 있다.  그 원인은 수축량의 대부분이 버팀대의 연결부에서의 틈이 폐합되면서 발생한 량이다.  즉, 버팀대는 1본의 길이가 10m 이하인 단일재를 몇 본 연결하여 조립되며, 게다가 버팀대는 가설재이므로 몇 회 이상 재사용한다.  따라서 스크류잭 정도의 힘으로 밀고 볼트로 조이는 것만으로는 확실하게 밀착되지 않아 연결부에 틈새가 남게 되고 결국 측압이 작용하게 되면 틈새가 밀착되어 흙막이 벽체에 과도한 변형이 발생하게 된다.」

O'Rourke(1981)는 “Washington의 Metro 현장에서 그림 2와 같이 버팀대와 띠장 사이에 유압잭을 설치하고, 각 버팀대에 설계하중의 50%의 선행하중을 작용시킨 결과, 버팀대의 유효강성은 이상강성의 45%～75% 정도였다”고 보고하였다.

a) Preloading set up                               b) KE/KI verses Preload

그림 2.  선행하중 재하방식 및 버팀대의 강성비율(O'Rourke (1981))

한편 현장에서 측정한 버팀대의 강성(유효강성)은 식(1)로부터 구할 수 있으며,

[eqn: K_E ``=``{ P } over {DELTA S}]                                                  식 (1)

여기서, [eqn: P `]는 작용한 선행하중량이며, [eqn: DELTA S `]는 선행하중에 의한 버팀대 자체의 변형량을 나타낸다.

버팀대의 재료적인 강성(이상강성)은 식(2)로부터 구해진다.

[eqn: K_I ``=``{ E ``A } over L]                                                  식 (2)

여기서, [eqn: E `]와[eqn: A `]는 버팀대의 탄성계수와 단면적을, 그리고 [eqn: L]는 버팀대의 길이를 나타낸다.

Palmer와 Kenney(1972)는 “버팀대에 선행하중을 작용하지 않은 상태에서 유효강성은 이상강성의 2～4% 정도였다”고 보고하였다.  따라서 버팀대에 선행하중을 작용시키면 버팀대의 유효강성이 매우 증가한다는 것을 알 수 있다.

오 성남 외(1999)는 균질한 사질토에 근입된 흙막이벽의 탄소성해석 결과로부터 그림 3과 같은 버팀대의 유효강성에 따른 흙막이벽의 최대수평변위 및 최대휨모멘트의 변화를 제시하였다.  이에 의하면 버팀대의 유효강성이 100%인 경우에 비해 강성이 5%로 감소되었을 때 최대수평변위는 3.6～5.6배, 최대휨모멘트는 1.31～2.1배 정도 증가하였다.  반면 버팀대의 유효강성이 100%인 경우에 비해 강성이 50%로 감소되었을 때 최대수평변위는 0.3～0.4배, 최대휨모멘트는 0.1～0.3배 정도 증가하였다.  여기서 벽체의 휨강성의 클수록 유효강성의 저하에 따른 흙막이벽의 최대수평변위 및 최대휨모멘트의 증가율은 큰 값을 갖는다.

따라서 버팀대의 유효강성에 따라 흙막이벽의 최대수평변위 및 최대휨모멘트는 큰 차이가 있으며, 버팀대를 보다 효율적으로 이용하기 위해서는 유효강성을 증가시켜야 하고, O'Rourke(1981)가 보고한 바와 같이 유효강성을 증가시키기 위해서 선행하중을 작용시킬 필요가 있음을 알 수 있다.

(a)                                          (b)

그림 3.  버팀대의 유효강성에 따른 흙막이벽의 최대수평변위 및 최대휨모멘트의 변화

일본에서는 조립식 버팀대를 이용함에도 불구하고, 시공조건에 따른 버팀대의 느슨함을 고려하여 버팀대의 이상강성을 저감할 것을 제안하고 있다.  즉 탄소성법을 이용하여 흙막이 구조물을 설계할 때, 일본 토목학회에서는 버팀대의 강성으로서 이상강성의 50～100%를, 동경도교통국에서는 50% 정도를 취하도록 하고 있다17).

그러나 국내의 경우에는 일반적으로 현장에서 용접, 절단, 천공 등의 작업이 행해지고, 스크류잭을 이용함에 의해 지보재들간의 틈새가 더욱 큼에도 불구하고, 탄소성법을 이용하여 흙막이 구조물을 설계할 때, 버팀대의 강성으로서 이상강성의 100%를 취하고 있다.  따라서 흙막이 구조물의 안정성 및 인접 구조물에 중요한 영향을 미치는 흙막이벽의 최대수평변위 및 최대휨모멘트가 실제 발생하는 값보다 상당히 작게 계산되어 사고를 유발하는 원인이 된다.

그러므로 국내의 시공 상황 등을 고려했을 때, 버팀대의 강성을 저감시켜 주는 것이 보다 합리적이며, 경제적이고 효율적으로 버팀대를 이용하기 위해서는 선행하중을 작용시켜야 함을 알 수 있다.

스크류잭을 이용한 버팀대공법의 문제점을 요약하면 다음과 같다.

(1) 스크류잭을 이용하여 버팀대에 5톤 이상의 선행하중을 작용시키는 것이 어렵기 때문에 벽체에 과다한 휨변형을 허용시켜 인접건물 및 지하매설관에 피해 및 민원을 유발한다.

(2) 시공 중 과다한 변위가 발생할 경우 추가로 벽체를 밀지 못하므로 피해를 억제할 수 없다.

(3) 설치작업시 스크류잭의 회전력을 일정하게 조정할 수 없으므로 버팀대 마다 틈새의 크기가 다르고 따라서 틈새가 작은 곳의 버팀대에 축력이 집중될 수가 있다.

(4) 벽체의 휨변형이 크므로 버팀보의 수량이 많이 요구되어 굴착 작업의 시공성이 떨어지고 공사기간이 많이 요구되며 경제성이 낮다.

(5) 버팀대에 큰 축력이 작용하고 있는 상황에서 5톤 정도인 스크류잭의 회전력으로는 버팀대를 해체하기가 어렵기 때문에 해체작업이 곤란하고 작업 중 안전사고가 빈번히 발생한다.

3. 버팀대 선행하중공법

버팀대 굴착공법은 굴착에 따라 흙막이벽이 내측으로 이동하는 것을 H-Beam 등을 이용하여 방지하고자 하는 방법이지만, 측압에 의해 버팀대에 축력이 발생하기 때문에 탄성압축변형, 크리프변형, 지보재들간의 연결부 틈새 등이 폐합됨에 의한 변형이 발생한다.  이들 변형에 의해 주변지반이 침하하게 되며, 침하량이 어느 한도를 넘어서면 사고가 발생하게 된다.

이러한 변형을 억제하기 위하여 미리 버팀대에 축력을 작용시키는 방법으로써, 앞 장에서 언급한 바와 같이 일반적으로 스크류잭을 이용하고 있으나, 스크류잭의 회전력이 너무 작아 흙막이벽의 변형억제 효과는 거의 없는 실정이다.

버팀대 선행하중공법은 다음 단계의 굴착에 앞서 버팀대에 설계축력의 50～80% 정도에 해당하는 선행하중(preload)을 재하하여 흙막이벽을 배면방향으로 밀어주는 방법으로 일본이나 구미에서 이미 널리 이용되는 공법이다.

탈착식 선행하중잭을 이용한 버팀대 선행하중공법은 버팀대에 축력을 재하하기 위하여 휴대용 유압실린더를 이용하므로써, 100톤 이상의 선행하중까지도 손쉽고 정확하게 작용시킬 있는 방법이다.  그 결과 지보재들간의 연결부 틈새가 대부분 제거되어, 버팀대 및 배면지반의 강성이 증가하게 된다.  또한 작용시킨 선행하중량 만큼의 버팀대의 탄성압축량도 줄게 되고, 흙막이벽을 배면방향으로 밀어 주기 때문에 흙막이벽에 발생하는 휨변형량 및 휨응력이 작게 되어, 굴착으로 인한 주변지반 및 흙막이벽의 변위가 감소하게 된다.

그림 4.  탈착식 선행하중잭을 이용한 버팀대 선행하중공법

3.1 버팀대 선행하중공법의 원리

그림 5는 흙막이 구조물의 탄소성 해석시 이용되는 흙막이벽의 변위와 버팀대 반력과의 관계를 표시한 것으로 흙막이벽의 변위와 버팀대 반력과는 비례관계에 있다.  현장에 설치된 버팀대의 강성은 지보재들간의 연결부에 존재하는 틈새들 때문에 재료 본래의 이상강성보다 작게 되므로 현장에서의 흙막이벽의 변위와 버팀대 반력의 관계곡선은 그림 5의 OA의 기울기보다 작게될 것이다.  여기서 OA곡선은 이상적인 버팀대가 갖는 흙막이벽의 변위와 버팀대 반력의 관계곡선을 나타낸다.

선행하중을 작용한 경우에는 흙막이벽의 변위와 버팀대 반력의 관계는 그림의 파선으로 표시된 것과 같은 과정을 따르게 된다.

즉 선행하중을 작용시키지 않은 경우, 굴착이 진행됨에 따라 버팀대에 선행하중량(P)과 같은 축력이 작용할 때, 흙막이벽의 변위는 그 축력에 대응하여 발생한 버팀대의 탄성변위(de)이며, 변위는 굴착측으로 발생할 것이다.  선행하중를 작용시킨 경우에는 작용한 선행하중(P)에 의해 흙막이벽은 배면측으로 변위(dw)가 발생할 것이다.  따라서 선행하중 (P)을 버팀대에 미리 작용시킴으로써 줄어든 흙막이벽의 변위량은 선행하중 P에 의해 발생한 버팀대의 탄성변위(de)와 흙막이벽의 배면측으로 변위(dw)를 합한 값이다.

그림 5.  버팀대를 설치한 시점에서 흙막이벽의 변위와 버팀대 반력과의 관계

이해를 돕기 위해서, 현장에서 실측한 결과를 표 1에 제시하였으며, 버팀대가 압축만을 받는다고 할 경우, 흙막이벽의 변위와 버팀대의 반력의 관계를 나타낸 것이 그림 6이다.

버팀대의 길이는 37.6m, 단면적은 119.8cm2 , 탄성계수는 2.1×107tf/m2이며, 벽체는 800mm 두께의 철근콘크리트 지중연속벽이다.  버팀대 중앙에 선행하중잭을 위치시키고, 띠장과 버팀대의 연결부 양쪽에 축력계를 설치하였다.  선행하중에 의한 벽체의 변위를 측정하기 위해 지중수평변위계를 이용하였다.

선행하중잭에 유압실린더를 삽입하고, 30톤의 선행하중을 작용시킨 바, 띠장과 버팀대의 연결부 양쪽에 설치된 축력계의 평균값은 26톤이었으며, 벽체는 배면쪽으로 2.0mm 들어갔다.  이때 유압실린더가 삽입된 선행하중잭의 신장량은 dial gauge를 이용하여 측정하였으며, 그 값은 10.0mm였다.  따라서 버팀대의 변형량은 10.0mm - 2.0 = 8.0mm이며, 버팀대의 탄성변형량은

[eqn: {d}_{e }``=``{PL } over{EA}``=``{ 26 TIMES 37.6} over {(2.1 TIMES { 10}^{7 }) TIMES (1.198 TIMES { 10}^{-2 })} ``=``3.9TIMES {10 }^{-3 } m]

이므로 지보재들간의 틈새들의 폐합량은 8.0mm - 3.9mm = 4.1mm임을 알 수 있다.

버팀대의 재료적인 강성(이상강성)은 식(2)로부터

[eqn: K_I ``=``{ E ``A } over L ``=``{ (2.1 TIMES { 10}^{7 }) TIMES (1.198 TIMES { 10}^{-2 })}OVER 37.6 ``=``6.691 TIMES {10 }^{3 } tf/m]

한편 현장에서 측정한 버팀대의 강성(유효강성)은 식(1)로부터,

[eqn: K_E ``=``{ P } over {DELTA S}``= {26 } over {8TIMES{10}^{-3 }} ``=``3.250 TIMES {10}^{3}tf/m]

이다.  따라서 현장에서 측정한 버팀대의 강성은 이상강성보다 작고, 본 예의 경우에는 이상강성의 약 50% 정도였다.  이처럼 유효강성이 이상강성보다 작은 이유는 지보재들간의 연결부에 존재하는 틈새들 때문이다.

본 현장의 버팀대의 경우, 선행하중을 30톤 작용시키므로써 얻은 흙막이벽의 변위억제효과는 지보재들간의 틈새들의 폐합량 4.1mm, 버팀대의 탄성변위량 3.9mm, 벽체가 배면으로 들어간 변위량 2.0mm 들의 합인 10.0mm이다.  단, 흙막이벽이 버팀대의 양쪽에 위치하므로 선행하중 30톤에 의해 벽체당 변위억제효과는 10.0mm의 절반인 5.0mm이다.

표 1.  선행하중량에 의한 흙막이벽의 변위 및 버팀대의 변위

선행하중량 (톤)	버팀대 축력 (톤)	선행하중잭 신장량(mm)	벽체의 변위(mm)	버팀대의 변위(mm)	버팀대의 탄성변위(mm)	틈새들의 폐합량(mm)
30	26	10.0	2.0	8.0	3.9	4.1

그림 6.  흙막이벽의 변위와 버팀대 반력과의 관계

3.2 탈착식 선행하중잭

외국의 경우, 흙막이벽체의 변위 억제에 대한 버팀대 선행하중공법의 효과는 오래전부터 알려져 왔으며, 효율적인 시공을 위하여 각국의 실정에 적합한 시공장비와 시공법을 개발하여 왔다.

歐美에서는 버팀대에 선행하중을 가하기 위하여 그림 7과 같은 방법을 사용하기도 하였다.  그러나 이 방법은 버팀대에 반력판과 쐐기를 설치하는 작업이 번거롭고, 유압실린더 제거시 버팀대에

작용시킨 선행하중이 손실되며, 설치가 완료된 후에는 쐐기가 설치된 곳이 휨모멘트에 대하여 취약

부가 되므로 그 부분을 보강해야 하는 문제를 갖고 있다.

그림 7.  歐美의 선행하중 재하방법            그림 8.  일본의 선행하중 재하방법

일본에서는 1970년대부터 유압실린더가 내장되고 멈춤나사가 부착된 내장형 선행하중잭이 사용되기 시작하였다(그림 8). 이 잭은 유압실린더의 스트록(stroke)에 의해서만 길이 조절이 가능하기 때문에 유압실린더의 크기와 중량이 커져서 작업성이 저하되고, 잭마다 유압실린더가 필요하므로 비경제적이라는 단점을 갖고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 유압실린더의 기능과 스크류잭의 기능을 결합시킨 탈착식 선행하중잭을 개발하였다(사진 2). 즉, 잭의 길이 조절은 스크류잭의 기능을 하는 상부몸체에서 담당하도록 하고, 하부몸체에는 유압실린더를 착탈할 수 있도록 함으로써 하부몸체에 유압실린더를 삽입하여 선행하중을 작용시킨 후, 유압실린더를 회수할 수 있게 하였다.

사진 2.  휴대용 유압실린더, 펌프, 탈착식 선행하중잭   그림 9.  탈착식 선행하중잭의 선행하중 재하방법

이 잭을 이용하여 버팀대에 선행하중을 재하하는 작업은 그림 9와 같이 4단계에 걸쳐 수행된다. 먼저 버팀대의 단부에 선행하중잭을 부착하고, 상부몸체를 돌려 잭의 길이를 조절하는 1단계와 하부몸체에 유압실린더를 삽입하고, 소정의 선행하중을 가하는 2단계 및 선행하중이 재하된 후 하부몸체까지 멈춤나사를 돌려서 하중을 고정시키는 3단계, 그리고 유압실린더를 회수하는 4단계로 이루어진다.  굴착이 완료된 후, 버팀대를 해체할 경우에는 설치 때의 역순으로 작업을 수행하면 된다.  이 잭은 일본의 내장형 선행하중잭과 기능은 동일한 반면, 스크류잭의 기능을 도입하여 잭과 유압실린더의 크기와 중량을 줄임으로써 경제성과 작업성을 향상시켰다.

3.3 버팀대 선행하중공법의 시공방법 및 적용시 유의사항

탈착식 선행하중잭을 이용한 시공방법은 스크류잭을 이용한 버팀대공법과 거의 유사하나, 사진 3～사진 6에 제시한 것과 같이 휴대용 유압실린더를 탈착할 수 있도록 만든 선행하중잭에 유압실린더를 삽입하여 소정의 선행하중을 재하한다는 것에 차이가 있다.

사진 3.  선행하중잭에 유압실린더 삽입      사진 4.  유압펌프를 작동시켜 선행하중 재하

사진 5.  멈춤너트 조임 및 유압실린더 회수     사진 6.  교차부 U볼트 설치 장면

굴착현장에 버팀대 선행하중공법을 적용하여 시공하는 과정에 있어서, 다음과 같은 몇가지 사항들에 유의해야 한다. 먼저, 선행하중의 전달이 원활하도록 중간말뚝과 버팀대를 U-bolt 등을 이용하여 연결해야 하며, 버팀대에 작용하는 선행하중이나 측압이 흙막이벽에 균등하게 분포하도록 띠장과 흙막이벽 사이의 뒷채움이 충분히 이루어져 한다.  그리고 버팀대와 만나는 띠장부분은 스티프너(stiffener)를 설치하여 응력집중에 의한 부재의 국부변형이 발생하지 않도록 하여야 한다.

3.4 버팀대 선행하중공법의 특징

버팀대 선행하중공법은 버팀대 설치심도까지의 굴착에 의해 이미 내측으로 휘어져 있는 벽체에, 다음 단계의 굴착에 의해 발생할 축력을 미리 작용시켜, 흙막이벽을 배면방향으로 밀어준 후, 굴착을 진행하기 때문에 흙막이벽은 전체적으로 강성이 커지며, 벽체는 재료적으로 강성이 적은 것이라도 휨변형량이 적게 발생하고, 주변지반의 침하량도 감소하게 된다.  게다가 설계축력의 50～80% 정도의 선행하중을 작용시키면, 버팀대에 작용하는 실제축력이 크게 증가하지 않으므로 버팀대의 단면을 크게할 필요는 없다13).  버팀대 선행하중공법의 특징에 대한 관련문헌을 요약하여 제시하면 다음과 같다.

1) 지보재들간의 연결부 틈새 제거(日本土質工學會(1975))

버팀대에 선행하중을 재하하지 않은 경우에는 그 버팀대 위치에서 설계시 고려하지 않았던 변형량이 약 20mm 정도 추가적으로 발생한다.

→ 이러한 틈새의 존재는 버팀대의 유효강성을 감소시킨다.

2) 버팀대의 유효강성 증가

① Oslo 지하철 현장에서 버팀대에 선행하중을 재하하지 않은 상태에서 실측한 버팀대의 강성  은 이상강성의 2%～4% 범위(Palmer and Kenny(1972))

② Washington Metro 현장에서 버팀대에 설계하중의 50%의 선행하중을 재하한 후 실측한 버팀  대 강성은 이상강성의 45%～75% 범위(O'Rourke(1981))

→ 선행하중에 의해 버팀대의 유효강성이 증가한다.

3) 버팀대의 유효강성 증가에 따른 흙막이벽의 수평변위 및 휨응력 감소(오 성남외(1999)).

벽체의 종류와 관계없이 버팀대의 유효강성이 이상강성의 25% 이하가 되면, 흙막이벽의 수평변위 및 휨응력이 매우 증가하므로 최소한 이상강성의 25% 이상 확보될 수 있도록 하여야 한다.

4) 벽체 배면지반의 강성 증대(Puller(1996))

선행하중을 재하하면 흙의 응력-변형율 곡선의 Hysteresis로 인한 흙의 강성증대 때문에 흙막이벽의 변위가 더욱 감소한다.

5) 흙막이벽에 발생하는 휨변형량 및 휨응력을 작게 함

① 지반조건에 관계없이 설계축력의 60% 정도의 선행하중을 작용시키면, 흙막이벽의 휨응력을 작게하는 효과가 있다. (土屋幸三郞외 (1984))

② 사질토의 경우, 설계축력의 50%～100%에 해당하는 선행하중을 작용시키면, 벽체의 종류에  관계없이 흙막이벽의 최대수평변위는 선행하중이 없을 때 발생한 값의 40%～60% 정도 감  소한다. (오 성남외(1999))

③ 일본 지하철 굴착공사시, 선행하중공법을 적용한 결과에 의하면, 흙막이벽의 변위는 30～50% 정

도 감소되었다. (井上守외(1981)).

④ 서울소재 근접시공 현장에서 선행하중공법을 적용한 결과에 의하면, 굴착깊이에 따른 최대수평변위의 평균값은 굴착깊이의 0.1%이고, 그 상한값은 0.2%로써 일반적인 굴착현장에서 발생하는 값인 0.2%와 0.5%보다 매우 작았다. (백 규호외(1998))

6) 시공성 향상 (野尻明美(1976))

선행하중을 재하한 경우에는 흙막이벽의 휨에 기인한 주변지반의 침하를 상당히 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 흙막이 전체의 강성이 높아져, 연직면 또는 수평면에 설치하는 브레이싱(bracing)과 버팀대 등의 수를 줄일 수 있고, 따라서 작업공간도 넓어져 시공성이 높아진다.

7) 설치 및 해체 작업을 안전하게 수행 (日本土質工學會(1981))

사전에 버팀대에 균등하게 축력을 재하하므로 취약한 버팀대의 존재 여부와  불량한 시공 위치를 점검할 수 있으며, 초보적인 실수에 의한 사고를 방지할 수 있다.  또한 버팀대의 해체를 안전하고 신속하게 행할 수 있다.

4. 흙막이 구조물의 안정성과 휨변형

흙막이 구조물을 설계하는 데 있어서는 다음과 같은 두가지 사항을 고려해야 한다.  첫째는 흙막이벽, 지보재(띠장 및 버팀대), 굴착저면 등이 안정성(stability)을 유지하도록 해야 한다.  흙막이벽과 지보재가 안정성을 유지하기 위해서는 이들에 작용하는 휨응력,  전단응력, 압축응력들이 허용응력 내에 존재해야 하며, 굴착저면이 안정성을 유지하려면 파이핑(piping)과 히빙(heaving)이 발생하지 않도록 하여야 한다.  둘째는 굴착면 주위에 존재하는 구조물의 변형이 허용범위 내에 존재하도록 해야 한다.  흙막이 공사에서는 주변지반의 침하로 인하여 굴착현장 주위의 구조물에 균열 및 파손 등의 피해를 유발시킬 수 있기 때문이다.

흙막이 구조물의 안정성 및 휨변형에 영향을 주는 조건은 표 2와 같이 4가지로 분류할 수 있다.  이들 중에서 (4) 기타조건이 흙막이 구조물의 안정성 및 휨변형에 영향을 주는 정도는 시공기술에 의해 좌우되며, 그 대부분은 시공대책에 의해 제거될 수 있지만 대책을 소홀히 하면 무시 못할 값이 된다.

표 2.  흙막이 구조물의 안정성 및 휨변형에 영향을 주는 요소

(1) 지반조건	(2) 지지조건	(3) 일반조건	(4) 기타조건
강도정수 지반의 단위중량 수평방향지반반력계수 벽체와 흙의 마찰각	벽체의 휨강성 버팀대의 강성 버팀대의 수직간격 선행하중량	단단한 지층까지 깊이 최종 굴착 깊이 굴착폭 벽체의 근입 깊이	과굴착 벽체 부근의 상재하중 버팀대의 설치지연 지보공들 간에 존재 하는 틈새

표 2에 제시한 요소 중에서 (4) 기타조건을 제외하고, 흙막이 구조물의 안정성 및 휨변형에 가장 큰 영향을 주는 요소는 벽체의 휨강성, 버팀대의 수직간격, 버팀대의 강성, 단단한 지층까지의 깊이, 굴착폭, 선행하중량, 수평방향 지반반력계수들이며 이들 요소가 벽체의 휨변형에 미치는 영향에 대하여 간단하게 살펴보면 다음과 같다.

1) 벽체의 휨강성을 증가시키거나 버팀대의 수직간격을 감소시키면 벽체의 휨변형은 감소한다.

2) 버팀대의 강성을 증가시키면 벽체의 휨변형은 감소한다.

3) 굴착폭을 증가시키거나 단단한 지층까지의 깊이를 증가시키면 벽체 휨변형은 증가한다.

4) 버팀대에 선행하중을 작용시키면 벽체의 휨변형은 감소한다.

5) 수평방향 지반반력계수는 벽체의 휨변형에 큰 영향을 미친다.  수평방향 지반반력계수가 크면      벽체의 휨변형은 작아진다.

이들 7개의 요소들 중에서 설계자가 그 값을 선택할 수 있는 요소는 표 1의 (2) 지지조건으로 즉 벽체의 휨강성, 버팀대의 강성, 버팀대의 수직간격, 선행하중량 등이다.  이들 요소들이 흙막이 구조물 거동에 어떤 영향을 미치는지를 파악하기 위해서 다음과 같은 조건하에서 탄소성 지반상의 보해석을 하였다.

지반조건은 내부마찰각이 40。, 전체단위중량이 1.7tf/m3인 균질한 사질토를 대상으로 설정하였다.  흙막이벽은 표 3에 제시되어 있는 바와 같이 휨강성에 대한 영향을 분석하기 위해 4종류로 구분하였으며, 굴착폭은 40m, 흙막이벽의 근입길이는 최종 굴착면으로부터 6.0m, 최종 굴착깊이는 GL(-)22.0m이다.

표 3.  흙막이의 종류 및 벽체의 휨강성

벽체종류	벽 체 제 원	휨강성 (tf․m2/m)[eqn: `]
H-PILE	H-300×305×15×15, C.T.C=1.0m	4,515
C I P	φ=0.4m, C.T.C=0.4m, [eqn: sigma]ck =180kgf/cm2 H-298×201×9×14, C.T.C=2.0m	8,001
D-Wall 1	[eqn: rm t] = 0.8m, Ec=2.1×106tf/m2	89,600
D-Wall 2	[eqn: rm t] = 0.5m, Ec=2.1×106tf/m2	21,875

4.1 선행하중량에 따른 흙막이 구조물의 거동

굴착 현장에서 주변지반의 변위를 억제하면서 동시에 경제적인 흙막이 구조물을 설계하기 위해, 기 제안된 적절한 선행하중량을 제시하면 다음과 같다.  O'Rourke(1981)는 “버팀대에 가해지는 선행하중은 주로 흙막이 구조물에 존재하는 느슨한 부분을 제거하여, 버팀대의 유효강성을 증가시키는 역할을 하며, 이러한 목적을 달성하기 위한 적절한 선행하중은 설계하중의 50% 정도로서, 이 정도의 선행하중은 버팀대에 과도한 축력을 발생시킬 가능성이 작다”고 하였다.  일본의 경우에는 일반적으로 설계하중의 50%～70%의 선행하중을 도입하고 있는 것으로 알려져 있으며19), Canadian Geotechnical Society(1997)는 굴착에 따른 변위 억제를 위해 설계하중의 100% 정도까지의 하중을 효과적인 선행하중량으로 언급하고 있다.  이와 같이 제안된 선행하중량이 각각 다른 이유는 선행하중량이 지반조건, 굴착깊이, 흙막이벽의 휨강성, 작용하중 등에 따라 달라지기 때문이다.  따라서균질한 사질지반에서의 대심도 굴착의 경우, 흙막이벽의 휨강성과 선행하중량에 따른 흙막이 구조물의 거동의 특징을 분석하였다.

선행하중을 작용시키지 않고 해석한 결과로부터 얻어지는 각 버팀대에 작용하는 최대축력(이하

설계하중)을 기준으로 하여, 이 값의 0%, 25%, 50%, 75%, 100%에 해당하는 값을 각각 선행하중으로 작용시켜 해석한 결과로부터, 그림 10과 같은 선행하중량에 따른 흙막이벽의 최대수평변위의 변화를 얻었다.  즉 벽체의 휨강성과 선행하중이 클수록 벽체 최대수평변위가 작아지는 일반적인 경향을 보이고 있다.  그림 10-(b)는 그림 10-(a)의 각 경우에서 선행하중별 벽체 최대수평변위를 선행하중이 없을 때 발생한 벽체의 최대수평변위로 정규화한 결과이다.  그림 10-(b)로부터 알 수 있는 바와 같이 선행하중의 크기에 따른 벽체 수평변위의 변화는 벽체의 강성에 거의 무관하게 일정한 경향을 보이고 있다.  즉 25%, 50%, 75%, 100%에 해당하는 각 선행하중 단계에서 벽체최대수평변위는 선행하중이 없을 때 발생한 값의 22.5%, 40.5%, 53.2%, 59.3% 정도씩 각각 감소하였다.  따라서 흙막이벽의 변위는 선행하중량이 증가할수록 감소하나, 선행하중이 설계하중의 75%이상이 되면, 선행하중에 의한 변위 감소 효과는 점차 둔화되는 경향이 있다.

(a)                                              (b)

그림 10.  선행하중의 크기에 따른 벽체 최대수평변위의 변화

그림 11과 그림 13은 선행하중량에 따라 흙막이 구조물에 발생하는 부재력의 변화를 나타낸 것이다.  그리고 그림 11-(b)와 그림 13-(b)는 그림 6-(b)에서와 마찬가지로 선행하중이 없을 때의 값을 기준으로 정규화한 것이다.  그림 11은 벽체의 최대휨모멘트의 변화를 나타낸 것으로서, 벽체의 휨강성이 상대적으로 큰 경우(D-WALL 1, 2)에는 선행하중이 증가할수록 벽체에 발생하는 최대휨모멘트는 감소하고, 벽체의 휨강성이 상대적으로 작은 경우(H-Pile, CIP)에는 설계하중의 50%～75% 정도의 선행하중까지 감소하다가 증가하는 경향을 나타냈다.

그림 12는 이들 4가지 흙막이벽 중에서 D-WALL 1에 대하여 최종 굴착완료시에 선행하중에 따른 휨변위 및 휨모멘트의 감소효과를 나타낸 것이다.  버팀대에 선행하중을 작용시키면 흙막이벽의 휨곡률이 상대적으로 작아지며, 휨모멘트는 식 (3)과 같이 곡률과 비례관계에 있으므로 선행하중에 의해 휨모멘트가 감소하게 된다.

[eqn: M~ PROPTO ~ EI CDOT Kappa`]                                                  식 (3)

여기서, [eqn: M`]는 휨모멘트, [eqn: EI`]는 휨강성, [eqn: Kappa`]는 휨곡률이다.

(a)                                              (b)

그림 11.  선행하중의 크기에 따른 벽체 최대휨모멘트의 변화

(a)                                            (b)

그림 12.  선행하중에 따른 벽체의 휨변위 및 휨모멘트의 감소효과

그림 13은 버팀대 최대축력의 변화를 나타낸 것으로서, 벽체의 휨강성이 작을수록 버팀대에 작용하는 최대축력이 큰 일반적인 경향을 보이고 있다.  버팀대의 축력은 선행하중량과 버팀대의 강성 및 상대변위와 관계되며, 아래의 식과 같이 표시된다.

[eqn: F~=~{F}_{0} +- K TIMES (d-d_0 )]                                     식 (4)

여기서,[eqn: {F}_{0}]는 선행하중량, [eqn: K`]는 버팀대의 강성, [eqn: d`]는 흙막이벽의 최종변위,[eqn: { d}_{0 }]는 흙막이벽의 초기변위이다.

(a)                                              (b)

그림 13.  선행하중의 크기에 따른 버팀대 최대축력의 변화

그림 13-(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 선행하중의 크기에 따른 버팀대 축력의 변화는 벽체의 강성에 거의 무관하게 일정한 경향을 보이고 있다.  즉 25%, 50%, 75%, 100%에 해당하는 각 선행하중 단계에서 버팀대 최대축력은 선행하중이 없을 때 발생한 값의 7%, 15%, 23%, 33% 정도씩 각각 증가하였다.

그림 10, 그림 11, 그림 13에 제시된 벽체의 변위, 벽체의 휨모멘트, 버팀대의 축력에 대한 결과를 종합했을 때, 사질토 지반에서 버팀굴착을 수행할 경우, 버팀대에 작용하는 설계하중의 약 50% 정도에 해당하는 값이 효율적인 선행하중의 크기라고 판단된다.

4.2 흙막이벽의 휨강성과 선행하중량에 따른 흙막이 구조물의 거동

도심지 근접시공 현장에서 흙막이 구조물을 설계할 때, 굴착으로 인해 발생하는 주변지반의 변위를 억제하기 위한 방법은 흙막이벽의 휨강성을 증가시키는 방법, 버팀대의 강성을 증가시키는 방법, 버팀대의 수직간격을 좁히는 방법, 선행하중을 작용시키는 방법 등이 있다.  일반적으로 변위억제를 위해 주로 이용되는 방법은 흙막이벽의 휨강성을 증가시키는 방법이며, 본 절에서는 흙막이벽의 휨강성을 증가시키는 방법과 선행하중을 작용시키는 방법에 의한 흙막이 구조물의 거동의 차이를 비교한다.

그림 14는 벽체 휨강성의 크기에 따른 흙막이벽의 수평변위, 휨모멘트, 버팀대 축력의 변화를 버팀대 선행하중을 기준으로 하여 비교한 것이다.  그림 14에 의하면 선행하중량에 관계없이 벽체

의 휨강성이 클수록 흙막이벽의 최대수평변위 및 버팀대의 최대축력은 작아지고, 최대휨모멘트는 증가하는 일반적인 경향을 보이고 있다.  또한 버팀대에 설계하중의 50%에 해당하는 선행하중을 작용한 경우, 벽체의 휨강성을 증가시킨 것과 마찬가지의 효과가 있음을 알 수 있다(그림 14-(a) 참조).  예를 들면 휨강성이 4,515(tf․m2/m)인 벽체에 선행하중(50%)을 작용시키면 17.56mm인 벽체의 최대수평변위가 10.16mm로 감소하게 되는데(그림 상의 A점에서 C점으로), 이는 18,000(tf․m2/m)정도의 휨강성을 갖는 벽체에서의 최대수평변위에 해당하는 값(그림 상의 B점)이다.  이때 벽체에 작용하는 최대휨모멘트는 벽체의 휨강성이 증가할수록 증가하고, 선행하중(50%)을 작용시키면 선행하중이 없는 경우(0%)에 발생하는 최대휨모멘트보다 항상 작은 경향을 보이고 있다(그림 14-(b) 참조).  반면 버팀대에 작용하는 축력은 벽체의 휨강성이 증가할수록 감소하지만, 선행하중(50%)을 작용시키는 경우, 선행하중이 없는 경우(0%)에 비해 버팀대 축력이 항상 증가하는 경향을 보이고 있다(그림 14-(c) 참조).

(a)                            (b)                              (c)

그림 14.  흙막이벽의 휨강성과 선행하중의 크기에 따른 벽체의 최대수평변위 및 부재력의 변화

위와 같은 해석결과를 종합하면, 굴착으로 인해 발생하는 주변지반의 변위를 억제하기 위해 벽체의 휨강성을 키우는 것보다 버팀대에 선행하중을 작용시키는 것이 효과적이며, 경제적임을 알 수 있다.  단, 선행하중에 의해 버팀대의 축력이 증가하므로 설계시 이러한 점을 고려하여 버팀대 선행하중과 벽체의 휨강성을 적절하게 조합하여 활용하는 것이 바람직하다.

4.3 버팀대의 강성과 선행하중에 따른 흙막이 구조물의 거동

흙막이 구조물의 탄소성해석시에 이용되는 버팀대의 강성은 식(5)와 같이 표시된다.

[eqn: k ``=``{ 2E ``A } over LS]                                                  식 (5)

여기서, [eqn: E `]와[eqn: A `]는 버팀대의 탄성계수와 단면적, [eqn: L]는 버팀대의 길이, [eqn: S]는 버팀대의 수평간격를 나

타낸다.

앞 절에서 흙막이벽의 휨강성을 증가시키는 방법과 선행하중을 작용시키는 방법에 의한 흙막이 구조물의 거동의 차이를 비교한 것과 같이 본 절에서는 버팀대의 강성을 증가시키는 방법과 선행하중을 작용시키는 방법에 의한 흙막이 구조물의 거동의 차이를 비교한다.

□ D-WALL1 (Preloading 0%)  ■ D-WALL1 (Preloading 50%)

○ C I P      (Preloading 0%)  ● C I P      (Preloading 50%)

△ H-PILE    (Preloading 0%)  ▲ H-PILE    (Preloading 50%)

(a)                             (b)                            (c)

그림 15.  버팀대의 강성과 선행하중에 따른 벽체의 최대휨변형량 및 부재력의 변화

그림 15는 버팀대 강성의 변화에 따른 흙막이벽의 수평변위, 휨모멘트, 버팀대의 축력 변화를 선행하중이 없는 경우와 50%의 선행하중을 가한 경우에 대해 각각 분석한 것이다.  그림 15에 의하면 선행하중량에 관계없이 버팀대의 강성이 클수록 흙막이벽의 최대수평변위 및 최대휨모멘트는  작아지고, 버팀대의 최대축력은 증가하는 일반적인 경향을 보이고 있다.  또한 버팀대에 설계하중의 50%에 해당하는 선행하중을 작용한 경우, 버팀대의 강성을 증가시킨 것과 마찬가지의 효과가 있음을 알 수 있다(그림 15-(a) 참조).  예를 들면 버팀대의 강성이 3,145(tf/m/m)이고 D-WALL1의 흙막이벽의 경우, 선행하중(50%)을 작용시키면 10.21mm인 벽체의 최대수평변위가 6.29mm로 감소하게 되는데(그림 상의 A점에서 C점으로), 이는 버팀대의 강성을 2배 증가(식 (5)에 의해 버팀대의 단면적을 2배 증가시키거나, 버팀대의 수평간격을 절반으로 함)시켰을 때 발생하는 변위인 7.24mm보다도 작은 값(그림 상의 B점)이다.  이때 벽체에 작용하는 최대휨모멘트는 버팀대의 강성이 증가할수록 감소하며, 동일한 강성의 버팀대에서 50%의 선행하중을 작용시킨 경우가 선행하중이 없는 경우보다 항상 작은 최대휨모멘트를 나타내었다(그림 10-(b) 참조).  반면 버팀대에 작용하는 최대축력은 벽체에 작용하는 최대휨모멘트와는 상반된 경향을 보인다는 것을 그림 10-(c)에서 확인할 수 있다.

위와 같은 해석결과를 종합하면, 굴착으로 인해 발생하는 주변지반의 변위를 억제하기 위해 버팀대의 강성을 키우는 것보다 버팀대에 선행하중을 작용시키는 것이 효과적이며, 경제적임을 알 수 있다.  단, 선행하중에 의해 버팀대의 축력이 증가하므로 설계시 이러한 점을 고려하여 버팀대 선행하중과 버팀대의 강성을 적절하게 조합하여 활용하는 것이 바람직하다.

4.4 버팀대의 수직간격과 선행하중에 따른 흙막이 구조물의 거동

본 절에서는 버팀대의 수직간격을 증가시키는 방법과 선행하중을 작용시키는 방법에 의한 흙막이 구조물의 거동의 차이를 비교한다.

□ D-WALL1 (Preloading 0%)  ■ D-WALL1 (Preloading 50%)

○ C I P      (Preloading 0%)  ● C I P      (Preloading 50%)

△ H-PILE    (Preloading 0%)  ▲ H-PILE    (Preloading 50%)

(a)                             (b)                            (c)

그림 16.  버팀대의 수직간격과 선행하중에 따른 벽체의 최대휨변형량 및 부재력의 변화

그림 16은 버팀대 수직간격의 변화에 따른 흙막이벽의 수평변위, 휨모멘트, 버팀대의 축력 변화를 선행하중이 없는 경우와 50%의 선행하중을 가한 경우에 대해 각각 분석한 것이다.  그림 16에 의하면, 선행하중량에 관계없이 버팀대의 수직간격이 넓을수록 흙막이벽의 최대수평변위, 최대휨모멘트, 버팀대의 최대축력 등이 증가하는 일반적인 경향을 보이고 있다.  또한 버팀대에 설계하중의 50%에 해당하는 선행하중을 작용한 경우, 버팀대의 수직간격을 증가시킨 것과 마찬가지의 효과가 있음을 알 수 있다(그림 16-(a) 참조).  예를 들면 버팀대의 수직간격이 3.5m이고 D-WALL1의 흙막이벽의 경우, 선행하중(50%)을 작용시키면 7.83mm인 벽체의 최대수평변위가 4.81mm로 감소하게 되는데(그림 상의 A점에서 C점으로), 이는 버팀대의 수직간격을 2.5m로 감소시켰을 발생하는 변위인 6.61mm보다도 작은 값(그림 상의 B점)이다.  이때 벽체에 작용하는 최대휨모멘트는 버팀대의

수직간격이 넓을수록 증가하며, 동일한 수직간격에서는 50%의 선행하중을 작용시킨 경우가 선행하

중이 없는 경우보다 항상 작은 최대휨모멘트를 나타내었다(그림 16-(b) 참조).  반면 동일한 수직간격일 때, 버팀대에 작용하는 축력은 선행하중(50%)을 작용시키는 경우가 선행하중이 없는 경우(0%)에 비해 항상 증가하는 경향을 보이고 있다(그림 16-(c) 참조).

위와 같은 해석결과를 종합하면, 굴착으로 인해 발생하는 주변지반의 변위를 억제하기 위해 버팀대의 수직간격을 좁히는 것보다 버팀대에 선행하중을 작용시키는 것이 효과적이며, 경제적임을 알 수 있다.  단, 선행하중에 의해 버팀대의 축력이 증가하므로 설계시 이러한 점을 고려하여 버팀대 선행하중과 버팀대의 수직간격을 적절하게 조합하여 활용하는 것이 바람직하다.

5. 설계방법

버팀대 선행하중 공법의 설계순서는 크게 2단계로 구분된다.  1단계는 버팀대에 선행하중을 작용시키지 않은 상태에서 가시설을 해석하는 것이고, 2단계는 1단계에서 계산된 각 버팀대 축력의 일정비율을 선행하중으로 재하하여 해석하는 것이다.

본 장에서는 서울지역의 토질을 대상으로 지하철 가시설 현장 1개소와  건축 가시설 현장 1개소를 예로 들어 선행하중의 설계방법을 설명하고자 한다.  설계시 이용된 해석프로그램은 국내에서 널리 이용되고 있는 SUNEX V 3.6이다.

<설계예제 1>  지하철 흙막이 가시설 설계

지하철 가시설은 대부분 ‘H-Pile + 토류판’으로 설계되고 있으므로 이에 대한 예제를 선정하였으며 설계조건과 지반조건은 다음 그림 17과 같다.  지하수위는 지하철의 공사기간이 1년이상 장기간인 것을 고려하여 G.L. -2.0m로 가정하였고, 버팀대 부재의 효율적인 활용과 시공성 향상을 위해 흙막이 벽체는 H-300×305×15×15 부재를 이용하였다.

[설계조건]

□ 흙막이벽체  : H-Pile + 토류판  (H-300×305×15×15)

□ 버팀대 제원 : H-300×300×10×15          □ 최종 굴착 심도 : G.L. -16.5m

□ 버팀대 수평간격 : 2.5m                    □ 흙막이 벽체의 근입심도 : G.L. -19.3m

□ 굴착폭 : 23.16m

매립토

γt = 1.8 t/m3

Φ = 30°

c  = 0 t/m2

풍화토

γt =1.9 t/m3 Φ=33°c =0 t/m2

풍화암

γt = 2.0 t/m3

Φ = 35°

c  = 3.0 t/m2

그림 17.  지하철 정거장 가시설 단면도 및 지반조건

[1단계] ‘버팀대 설계하중’ 계산

① ‘버팀대 설계하중’이란 선행하중을 작용하지 않고 해석하였을때 버팀대 각단에서 발생한 최대축력을 말한다.  해석시 주의해야 할 것은 Peck 토압이 아닌 Rankine 토압에 의해 계산된 버팀대 최대축력을 적용해야 하는 것이다.

② 이제 그림 18과 같이 데이터를 작성하여 해석 연산을 수행한다.

PROJECT  Subway Line Design Example 1 (No PL)

soil  1   매립토

8.3   1.8   0.9   0.0   30   2000

2   풍화토

11.5   1.9   1.0   0.0   33   3000

3   풍화암

25.0   2.0   1.1   3.0   35   5000

vwall 1   19.3   0.01348   0.000215   2.1e7   1.5   0.915

strut 1    0.8   0.02355   11.58  2.0

2    2.5   0.01348   11.58  2.5  0.0

3    4.5   0.01348   11.58  2.5  0.0

4    6.3   0.01348   11.58  2.5  0.0

5    8.1   0.01348   11.58  2.5  0.0

6   10.1   0.01348   11.58  2.5  0.0

7   12.2   0.01348   11.58  2.5  0.0

anchor 1  14.2   4.935e-4  20.0  5.0  2.0  30

division  0.2

step  1  excavation to 1.3

output      1

iteration   10 0.1

rankine     1.0  0.0

gwl  2.0

surcharge   1.0

excavation  1.3

step  2  excavation to 3.0 and strut 1

const strut 1

excavation  3.0

water pressure  2.0 0.0  3.0 1.0  12.5 0.0

............

............

그림 18.  1단계 해석 데이터

>> Min and Max of Pile Force <<

Step   Exca      ---- S H E A R (t/m) ----      --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth     Max   Depth     Min   Depth     Max   Depth     Min   Depth

1    1.30     0.55   4.20    -0.98   1.50     0.13   7.40    -1.34   2.70

2    3.00     2.65   0.80    -1.76   4.20     2.69   2.70    -1.03   6.00

3    5.00     8.75   2.50    -4.22   2.50     6.78   4.80    -5.03   2.50

4    6.80    13.34   4.50    -6.01   8.80    11.29   6.60    -6.16  11.00

5    8.60    16.10   6.30    -9.33  10.60    15.49   8.30   -11.09  12.20

6   10.60    16.35   8.10   -14.99  11.50    17.52   9.80   -13.18  13.10

7   12.70    12.50  10.10   -13.49  12.50    12.87  11.20   -11.85  14.20

8   14.70    11.32   8.10   -14.27  12.20    10.51  11.00    -8.25  15.30

9   16.50    11.45   8.10   -13.52  12.20    11.36  11.00   -10.56  14.20

Note : unit is per m

>> Strut Force <<

------- S T R U T  N o.  a n d  D E P T H  --------

Step   Exca       1      2      3      4      5      6      7

No   Depth     0.80   2.50   4.50   6.30   8.10  10.10  12.20

1    1.30     0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

2    3.00     6.23   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

3    5.00    -2.84  32.42   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

4    6.80    -3.40  20.39  41.47   0.00   0.00   0.00   0.00

5    8.60    -2.72  17.40  29.08  48.18   0.00   0.00   0.00

6   10.60    -2.65  17.91  25.83  36.92  51.83   0.00   0.00

7   12.70    -2.67  18.06  26.26  34.46  42.14  54.24   0.00

8   14.70    -2.67  18.05  26.33  34.63  40.95  50.28  33.08

9   16.50    -2.67  18.06  26.31  34.56  41.35  51.85  21.90

Note : unit of force = t/ea

그림 19.  1단계 해석 결과 중 일부

[2단계] 50% 선행하중을 작용하여 해석

① 일반적으로 선행하중의 크기는 버팀대 설계하중의 50～80%가 적당하다고 제안되었으며 본단계에서는 [1단계]에서 계산된 버팀대 각단의 설계하중의 50%를 선행하중으로 작용하여 해석하였다(표 4참고).

- 1단 버팀대의 설계하중이 32.5톤이므로 50%에 해당하는 16톤을 선행하중으로 작용

- 2단 버팀대의 설계하중이 41.8톤이므로 50%에 해당하는 21톤을 선행하중으로 작용

- 3단 버팀대의 ‧‧‧‧‧

② 50% 선행하중을 작용하기 위한 데이터는 그림 20과 같다.

PROJECT Subway Line Design Example 1 (PL 50%) soil 1 매립토 8.3 1.8 0.9 0.0 30 2000 2 풍화토 11.5 1.9 1.0 0.0 33 3000 3 풍화암 25.0 2.0 1.1 3.0 35 5000 vwall 1 19.3 0.01348 0.000215 2.1e7 1.5 0.915
strut 1 0.8 0.02355 11.58 2.0 2 2.5 0.01348 11.58 2.5 3 4.5 0.01348 11.58 2.5 4 6.3 0.01348 11.58 2.5 5 8.1 0.01348 11.58 2.5 6 10.1 0.01348 11.58 2.5 7 12.2 0.01348 11.58 2.5
	16.0 21.0 24.0 26.0 27.0 17.0	← 선행하중
anchor 1 14.2 4.935e-4 20.0 5.0 2.0 30 division 0.2 step 1 excavation to 1.3 output 1 iteration 10 0.1 rankine 1.0 0.0 gwl 2.0 surcharge 1.0 excavation 1.3 ............ ............

그림 20.  2단계 해석데이터

표 4.  선행하중의 작용에 따른 해석결과

		버팀대 축력							흙막이 벽체
항목		주형보	1단	2단	3단	4단	5단	6단	최대수평 변위(mm)	휨모멘트 (t‧m)	전단력 (ton)
1단계 결과		6.23	32.42	41.47	48.54	51.83	54.24	33.08	32.82	17.52	16.35
2단계 (50%)	선행하중	0	16	21	24	26	27	17	19.31	14.75	18.30
	결과	6.23	38.67	50.87	59.71	62.60	65.26	39.88
허용치		-	신재기준 약 100톤						-	17.93	32.20

③ 50% 선행하중을 작용하여 해석한 결과, 표 4에서 알 수 있듯이 버팀대 최대축력과 흙막이벽의 전단력은 다소 증가하였으나 충분한 여유를 가지고 허용응력 이내에 있었으며, 벽체의 최대수평변위와 휨모멘트는 많이 감소하였다.

④ 최종 굴착시를 기준으로 선행하중작용에 따른 해석결과를 그림으로 비교하면 다음과 같다(그림 21). 변위의 경우, 눈에 띄게 많은 감소를 나타냈으며, 이러한 변위감소는 지표침하 감소와 흙막이벽의 휨모멘트 감소에 도움을 주었다.  흙막이벽의 휨모멘트는 벽체의 변형곡률과 상관관계가 있으므로, 변위감소는 흙막이벽의 변형곡률을 작게 만들어 궁극적으로 최대휨모멘트의 감소를 통해 가설구조물의 안정성 향상 효과를 볼 수 있다.

⑤ 또한 표 4의 결과를 유심히 관찰해 보면 다음과 같은 사실을 알 수 있다.

- 버팀대는 부재의 허용치에 비해 여유가 많은 반면 흙막이벽은 허용치에 근접해 있음

따라서 버팀대의 여유분을 이용하여 흙막이벽의 안정성을 높이는 방법을 [3단계]에서 살펴본다.

그림 21.  최종굴착시 선행하중량에 따른 벽체의 휨변형 및 휨모멘트의 변화

[3단계] 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화 하기 위한 선행하중선정

① 앞서 언급한 바와 같이 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화하기 위해서는 벽체의 휨변형을 줄여야 한다.  그리고 흙막이벽의 휨모멘트는 굴착면과 버팀대 사이 등과 같이 지점사이에서 최대정모멘트가 발생하고, 버팀대 등과 같은 지점위치에서 최대부모멘트가 발생한다는 것을 염두에 두고 접근하는 것이 좋다.

② 다소 경험적인 방법에 의하면, 선행하중을 작용하지 않은 경우 최대휨모멘트는 대개 정모멘트에서 발생하고 선행하중을 작용시킴에 따라 버팀대 등의 지점위치에서 발생한 최대부모멘트의 절대값과의 중간까지 줄어들 수 있음을 알 수 있다.

즉 그림 22에 나타난 [1단계]의 해석결과를 토대로 설명하면 최대휨모멘트가 step 6에서 (+)17.52tf‧m/m로 발생하였으며, 이때 최대부모멘트는 2.5m위치에서 (-)5.03tf‧m/m가 발생하였으므로 대략 (17.52+5.03)/2인 11.3tf‧m/m정도까지 휨모멘트를 감소시킬 수 있음을 예상할 수 있다.  단, 여기서 최대부모멘트가 13.18t‧m/m이 아닌 5.03tf‧m/m이 된 이유는 13.18tf‧m/m의 경우 지점이 아닌 굴착면 아래의 지중에서 발생한 값이므로 실제 구조물에 큰 영향을 끼치지 못할 뿐만 아니라 선행하중을 작용할수록 그값이 작아지기 때문이다.

③ 이러한 사실은 그림 23의 휨모멘트 분포도에서 잘 알 수 있는데, 최대휨모멘트가 4단 버팀대와 그아래의 굴착면 사이에서 발생하였으며 4단 버팀대의 선행하중에 의해 최대정모멘트가 오른쪽으로 이동, 즉 정모멘트가 줄어듦을 보여주고 있다.  따라서 최적선행하중을 작용하게 되면 정모멘트는 작아지고 버팀대 위치의 부모멘트는 증가할 것을 예상할 수 있다(그림 23의 Preloading Opt.)

④ 최적 선행하중을 작용하기 위해 step 5와 step 6에서 큰모멘트가 발생한 지점을 조사하여 해당된 버팀대 3단과 4단에 다음과 같이 선행하중을 조정하여 해석하였다.

□ 3단 버팀대 : 24톤(50%) → 40톤(약 80%)

□ 4단 버팀대 : 26톤(50%) → 52톤(약 100%)

1단계] 선행하중 0% 작용시 해석결과(*.tot file의 일부)

Step   Exca   ---- S H E A R (t/m) ----     --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth    Max  Depth    Min   Depth    Max   Depth    Min   Depth

1    1.30    0.55  4.20   -0.98   1.50    0.13   7.40   -1.34   2.70

2    3.00    2.65  0.80   -1.76   4.20    2.69   2.70   -1.03   6.00

3    5.00    8.75  2.50   -4.22   2.50    6.78   4.80   -5.03   2.50

4    6.80   13.34  4.50   -6.01   8.80   11.29   6.60   -6.16  11.00

5    8.60   16.10  6.30   -9.33  10.60   15.49   8.30  -11.09  12.20

6   10.60   16.35  8.10  -14.99  11.50   17.52   9.80  -13.18  13.10

7   12.70   12.50 10.10  -13.49  12.50   12.87  11.20  -11.85  14.20

8   14.70   11.32  8.10  -14.27  12.20   10.51  11.00   -8.25  15.30

9   16.50   11.45  8.10  -13.52  12.20   11.36  11.00  -10.56  14.20

Note : unit is per m

2단계] 선행하중 50% 작용시 해석결과(*.tot file의 일부)

Step   Exca      ---- S H E A R (t/m) ----      --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth     Max   Depth     Min   Depth     Max   Depth     Min   Depth

1    1.30     0.55   4.20    -0.98   1.50      0.13   7.40   -1.34   2.70

2    3.00     2.65   0.80    -1.76   4.20      2.69   2.70   -1.03   6.00

-3    3.00     3.37   2.50    -3.03   2.50      0.66   5.80   -3.02   2.50

3    5.00     9.44   2.50    -6.03   2.50      5.39   5.00   -8.12   2.50

-4    5.00     5.82   4.50    -3.66   2.50      2.89   6.30   -4.10   2.50

4    6.80    14.35   4.50    -6.00   4.50      9.10   6.80   -8.72   4.50

-5    6.80     8.52   4.50    -4.23   4.50      6.16   7.80   -4.85   4.50

5    8.60    17.66   6.30    -7.70  10.60     12.77   8.40   -7.77  12.20

-6    8.60    11.76   6.30    -7.67  11.40      8.56   9.20   -6.73  12.40

6   10.60    18.30   8.10   -12.96  11.50     14.75   9.80   -9.39  12.90

-7   10.60    12.64   8.10    -9.46  11.70     10.17   9.40   -7.53  12.90

7   12.70    14.95  10.10   -11.14  10.10      9.70  11.40   -7.69  13.90

-8   12.70    11.39  10.10   -13.35  12.20      8.57  11.00   -7.27  13.70

8   14.70    10.60   8.10   -14.36  12.20      7.35   9.20   -5.01   4.50

9   16.50    11.28  10.10   -13.47  12.20      8.18  11.00   -8.85  14.20

Note : unit is per m

그림 23.  선행하중에 따른 벽체의

그림 22.  선행하중작용에 따른 해석결과(.tot)파일의 일부             휨모멘트(step 6)

⑤ 선행하중을 조정하여 해석한 결과를 정리하면 표 5와 같다.  3단과 4단 버팀대의 선행하중을 증가시킴으로써 버팀대 축력과 전단력은 다소 증가하였으나, 허용치내에 있으며, 흙막이벽의 수평변위 및 휨모멘트, 그리고 주변지반의 침하는 상당히 감소하였음을 알 수 있다.

표 5.  선행하중조정에 따른 해석결과

항 목		버팀대 축력							흙막이 벽체			주변 지반침하 (mm)
		주형보	1단	2단	3단	4단	5단	6단	최대수평 변위(mm)	휨모멘트 (t‧m)	전단력 (ton)
1단계 결과		6.23	32.42	41.47	48.18	51.83	54.24	33.08	32.82	17.52	16.35	50.03
2단계 (50%)	선행하중	0	16	21	24	26	27	17	19.31	14.75	18.30	21.85
	결과	6.23	38.67	50.87	59.71	62.60	65.26	37.88
3단계 (최적)	선행하중	0	16	21	40	52	27	17	12.87	11.25	20.85	10.84
	결과	6.23	38.67	50.87	73.86	83.56	59.14	35.60
허용치		-	신재기준 약 100톤						-	17.93	32.20	-

⑥ 선행하중의 조정에 따른 흙막이벽의 휨모멘트 변화를 살펴보기 위해 해석결과의 일부인 그림 24를 살펴본다.  앞서 언급한 바와 같이 3단과 4단 버팀대의 선행하중 증가로 인해 흙막이벽의 정모멘트가 감소하고, 버팀대위치에서의 부모멘트가 증가하였으며, 정모멘트와 부모멘트가 거의 같아졌음을 알 수 있다.

따라서 현재의 선행하중이 흙막이벽의 휨응력을 최소화하기에 거의 최적의 값임을 알 수 있다.  만약 해석결과, 버팀대위치에서 발생한 최대부모멘트가 정모멘트보다 매우 크다면 해당 버팀대의 선행하중 크기를 줄여줘야 할 것이며, 선행하중의 작용이 전혀 없음에도 부모멘트가 최대휨모멘트가 될 경우에는 흙막이벽의 강성에 비해 버팀대의 수직간격이 큰 경우이므로 흙막이벽을 더욱 강성이 큰 것으로 변경하거나, 버팀대의 수직간격을 줄이는 것이 필요하다.

>> Min and Max of Pile Force <<

Step   Exca      ---- S H E A R (t/m) ----      --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth     Max   Depth     Min   Depth     Max   Depth     Min   Depth

1    1.30     0.55   4.20    -0.98   1.50     0.13   7.40    -1.34   2.70

2    3.00     2.65   0.80    -1.76   4.20     2.69   2.70    -1.03   6.00

-3    3.00     3.37   2.50    -3.03   2.50     0.66   5.80    -3.02   2.50

3    5.00     9.44   2.50    -6.03   2.50     5.39   5.00    -8.12   2.50

-4    5.00     5.82   4.50    -3.66   2.50     2.89   6.30    -4.10   2.50

4    6.80    14.35   4.50    -6.00   4.50     9.10   6.80    -8.72   4.50

-5    6.80     8.88   6.30    -7.12   6.30     3.76   8.10    -3.94   2.50

5    8.60    18.68   6.30   -10.86   6.30    10.82   8.60   -10.79   6.30

-6    8.60    11.04   8.10    -9.76   8.10     3.87  10.00    -4.56   8.10

6   10.60    20.85   8.10   -12.57   8.10    11.25  10.10   -10.51   8.10

-7   10.60    15.43   8.10   -10.78   8.10     5.36  10.60    -6.80   8.10

7   12.70    16.04  10.10   -11.26   8.10     9.52  11.40    -7.44   8.10

-8   12.70    14.24   8.10   -11.92  12.20     8.00  11.20    -7.28   8.10

8   14.70    14.00   8.10   -12.65  12.20     6.84  11.00    -7.20   8.10

9   16.50    14.11   8.10   -11.87  12.20     7.80  11.20    -7.27   8.10

Note : unit is per m

그림 24.  선행하중량 조절에 따른 [3단계]의 해석 결과중 일부

⑥ 그림 25는 최종굴착시를 기준으로 선행하중을 작용하지 않은 [1단계]와 50%의 선행하중을 작용한 [2단계] 그리고 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화하기 위한 최적의 선행하중을 작용한 [3단계]의 해석결과를 도식화한 것이다.

변위의 경우 선행하중의 크기가 증가될수록 감소하는 경향을 보이고 있으며, 그에 따라 흙막이벽의 휨모멘트도 정모멘트는 감소하고 부모멘트는 증가함을 알 수 있다.  모멘트도에 따르면 3단계(Preloading Opt.)에서 정모멘트와 부모멘트의 최대값이 비슷한 현상을 나타내고 있으므로 이때 작용한 선행하중이 본 흙막이벽에서 거의 최적임을 알 수 있다.  그러나 이것은 흙막이벽만을 놓고 보았을 때 최적이라는 것이며, 버팀대와 띠장의 안정성은 별도로 검토해야 한다.  본 설계의 경우 버팀대와 띠장의 경우에도 문제가 없으므로 최적 선행하중을 작용하는 것이 주변지반의 피해방지 및 흙막이벽의 안정성을 더욱 확보할 수 있는 방안이 된다.

그림 25.  선행하중량 조절에 따른 벽체의 휨변형 및 휨모멘트의 변화(최종굴착시)

※ 결국 선행하중을 적절히 조정한다면 버팀대의 경제적인 사용으로 흙막이벽의 안정성을 향상시키고 더불어 주변지반의 침하를 억제할 수 있음을 알 수 있다.  더욱 나아가 흙막이벽의 안정성이 많이 확보되었으므로 버팀대의 수직간격을 넓혀 버팀대 1단을 줄이는 설계가 가능한 지를 다음 <심화학습>에서 검토해 본다.

[4단계] 초기 선행하중 결정

① 수치해석시 선행하중항목에 입력된 선행하중량(Effective Preload)은 유효 선행하중량으로써 흙막이벽에 직접 전달되는 값을 말하는 것이며, 실제 현장에서 선행하중잭을 이용하여 선행하중을 작용할 때에는 작용하중이 버팀대를 통해 흙막이벽으로 전달되는 과정에서 버팀대 교차부의 마찰에 의해 손실이 발생하게 된다.  초기 선행하중(Initail Preload, Jacking Force)은 이러한 손실을 고려하여 실제 버팀대 상에 설치된 선행하중잭에 작용할 하중을 말한다.

② 버팀대 교차부에 의해 손실된 선행하중량은 교차부 개소당 2.5톤 정도이며11), 선행하중잭이 버팀대 1열당 1개가 설치되므로 버팀대 1열당 평균손실량은 ‘버팀대 1열이 만나는 교차부 총 개수의 절반’×‘2.5톤’이 된다.  여기서 교차부 총 개수가 절반이 된 이유는 선행하중이 선행하중잭의 양쪽으로 전달되기 때문에 양쪽 흙막이벽에 전달되는 선행하중에서 교차부의 손실량은 각각 절반이 되기때문이다.

③ 국내 지하철현장에서는 1열의 버팀대를 이용하는 경우가 많으며, 이때의 초기 선행하중(Jacking Force)은 ‘수치해석시 입력된 선행하중량’ + ‘버팀대 1본이 만나는 교차부 총 개수의 절반’ × ‘2.5톤’ (교차부 손실량)이 된다.

④ 버팀대 1열당 작용하는 선행하중의 최소크기는 흙막이벽과 지보재들의 설치상황 등 현장조건에 따라 달라질 수 있으나, 15톤 이상되어야 효과적이며, 이는 지보재들간에 존재하는 틈새를 줄일 수 있는 최소량이 된다.

⑤ 본 <지하철 예제>의 [3단계]에서 초기 선행하중을 계산하면 표 6과 같다.

⑥ 재하단계는 예비재하와 본재하로 나뉘며, 예비재하는 버팀대의 설치상태(수직도 및 수평도)를 확인하고, 버팀대와 중간말뚝의 교차부 및 버팀대 간의 교차부, 버팀대와 띠장의 연결부 상태를 확인하여, 재하시 버팀대의 틀어짐 현상을 초기에 방지하기 위해 10톤 내외의 크기로 하며, 예비재하시 이상이 없는 경우 약 20톤 단위로 본재하를 실시한다.

⑦ 기타 자세한 시공관련 사항은 ‘6장 시공방법’에서 설명한다.

표 6.  선행하중 재하표

	설계하중 (톤/본)	유 효 선행하중 (톤/본)	선행하중/설계하중 (%)	교차부 손실량	초 기 선행하중 (톤/본)	재하단계			비 고
						1회 (예비재하)	2회 (본재하)	3회 (본재하)
1 단	32톤	16톤	50%	2.5톤	19톤	10톤	19톤	-
2 단	42톤	21톤	50%	2.5톤	24톤	10톤	24톤	-
3 단	49톤	40톤	82%	2.5톤	43톤	10톤	30톤	43톤
4 단	52톤	52톤	100%	2.5톤	55톤	10톤	30톤	55톤
5 단	54톤	27톤	50%	2.5톤	30톤	10톤	30톤	-
6 단	33톤	17톤	50%	2.5톤	20톤	10톤	20톤	-
참고	1) 교차부 손실량 (교차부 2개소) = 2개소×1/2×2.5톤 = 2.5톤

<심화학습>  ‘설계예제 1’의 지하철 흙막이 가시설 설계에서 버팀대 1단 절감 검토

설계조건과 지반조건은 <설계예제 1>과 동일하며, 버팀대만 1단 감소시켜 그림 26와 같이 배치하였다.

[설계조건]

□ 흙막이벽체  : H-Pile + 토류판  (H-300×305×15×15)

□ 버팀대 제원 : H-300×300×10×15          □ 최종 굴착 심도 : GL -16.5m

□ 버팀대 수평간격 : 2.5m                    □ 흙막이 벽체의 근입심도 : GL -19.3m

□ 굴착폭  :  23.16m

매립토

γt = 1.8 t/m3

Φ = 30°

c  = 0 t/m2

풍화토

γt=1.9 t/m3 Φ=33°c =0 t/m2

풍화암

γt = 2.0 t/m3

Φ = 35°

c  = 3.0 t/m2

그림 26.  버팀대 1단이 절감된 지하철 정거장 가시설 단면도 및 지반조건

[1단계] ‘버팀대 설계하중’ 계산

① 버팀대에 작용할 선행하중의 크기를 결정하기 위해 그림 27과 같이 데이터를 작성하여 해석연산을 수행하였다.  앞서 언급한 바와 같이 ‘버팀대 설계하중’이란 선행하중을 작용하지 않고 해석하였을때 버팀대 각단에서 발생한 최대축력을 말한며, 주의해야 할 것은 해석시 Peck 토압이 아닌 Rankine 토압에 의해 계산된 버팀대 최대축력을 적용해야 하는 것이다.

② 그림 28에 나타난 해석결과를 살펴보면 최대모멘트는 정모멘트로써 20.67tf‧m/m가 발생하였고 ‘최대부모멘트’는 8.58tf‧m/m가 발생하였다.  여기서 최대부모멘트의 값을 8.58tf‧m/m로 정한 이유는 굴착면보다 아래에서 발생한 더 큰 부모멘트의 값들이 실제 구조물에 큰 영향을 끼지지 못할 뿐 아니라 선행하중이 작용됨에 따라 그 크기가 작아지기 때문이며, 또한 구조물

의 설계시에 이용하기 위한 것이 아니라 단지 최대로 줄일 수 있는 모멘트의 크기를 예측하기 위한 방법상의 설정이므로 크게 의미를 부여할 필요는 없다.  어쨌든 <설계예제 1>에서와 같이 경험적인 방법으로 예측하건대 최대로 줄일 수 있는 모멘트의 크기는  20.67tf‧m/m + 8.58tf‧m/m = 29.25tf‧m/m의 절반인 약 14.3tf‧m/m 정도가 될 것으로 생각된다.

PROJECT  Subway Line Design Example 1 (No PL)

soil  1   매립토

8.3   1.8   0.9   0.0   30   2000

2   풍화토

11.5   1.9   1.0   0.0   33   3000

3   풍화암

25.0   2.0   1.1   3.0   35   5000

vwall 1   19.3  0.01348  0.000215  2.1e7  1.5  0.915

strut  1   0.8  0.02355  11.58  2.0

2   2.5  0.01348  11.58  2.5  0.0

3   5.0  0.01348  11.58  2.5  0.0

4   7.5  0.01348  11.58  2.5  0.0

5   9.8  0.01348  11.58  2.5  0.0

6  12.1  0.01348  11.58  2.5  0.0

anchor 1  14.2  4.935e-4 20.0  5.0  2.0  30

division  0.2

step  1  excavation to 1.3

output      1

iteration   10 0.1

rankine     1.0  0.0

gwl  2.0

surcharge   1.0

excavation  1.3

step  2  excavation to 3.0 and strut 1

const strut 1

............

............

>> Min and Max of Pile Force <<

Step   Exca   ---- S H E A R (t/m) ----      --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth    Max  Depth     Min  Depth     Max  Depth    Min   Depth

1    1.30    0.57  4.00    -0.98  1.50     0.14  7.30    -1.34  2.70

2    3.00    2.65  0.80    -1.76  4.20     2.70  2.70    -1.01  6.10

3    5.50   11.10  2.50    -6.30  2.50     9.36  5.30    -8.58  2.50

4    8.00   18.47  5.00    -9.14 10.10    17.54  7.70   -11.88 12.10

5   10.30   18.51  7.50   -15.85 11.50    20.67  9.40   -15.36 13.20

6   12.60   15.13  9.80   -15.34 12.60    15.89 11.00   -14.17 14.40

7   14.70   12.58  9.80   -15.10 12.10    12.68 10.90   -10.24 15.50

8   16.50   13.17  9.80   -14.51 12.10    13.42 10.90   -10.78 14.20

Note : unit is per m

>> Strut Force <<

------- S T R U T  N o.  a n d  D E P T H  --------

Step   Exca       1      2      3      4      5      6

No   Depth     0.80   2.50   5.00   7.50   9.80  12.10

1    1.30     0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

2    3.00     6.23   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

3    5.50    -7.02  43.52   0.00   0.00   0.00   0.00

4    8.00    -5.55  22.91  60.71   0.00   0.00   0.00

5   10.30    -5.19  23.07  44.19  59.75   0.00   0.00

6   12.60    -5.24  23.53  43.53  45.18  63.55   0.00

7   14.70    -5.24  23.53  43.77  44.42  57.72  39.60

8   16.50    -5.24  23.53  43.71  44.62  59.06  29.71

Note : unit of force = t/ea

그림 27.  해석 데이터 중 일부               그림 28.  해석결과 파일(.tot)중 일부

[2단계] 50% 선행하중을 작용하여 해석

① 일반적으로 선행하중의 크기는 버팀대 설계하중의 50～80%가 적당하다고 제안되었으므로 본단계에서는 [1단계]에서 계산된 버팀대 각단의 설계하중의 50%를 선행하중으로 작용하여 해석한다.

- 1단 버팀대의 설계하중이 43.5톤이므로 50%에 해당하는 22톤을 선행하중으로 작용

- 2단 버팀대의 설계하중이 60.7톤이므로 50%에 해당하는 30톤을 선행하중으로 작용

- 3단 버팀대의 ‧‧‧‧‧

② 50% 선행하중을 작용하기 위한 데이터는 그림 29와 같다.

③ 표 7에서 알 수 있듯이 50%의 선행하중을 작용하여 해석한 결과, 버팀대 최대축력과 흙막이벽의 전단력은 다소 증가하였으나 여유를 가지고 허용응력이내에 있으며, 흙막이벽의 최대수평변위와 흙막이벽의 휨모멘트는 선행하중을 작용하지 않는 경우에 비해 많이 감소하였다.

④ 변위의 경우, 눈에 띄게 많은 감소를 나타냈으며, 이러한 변위감소는 지표침하 감소와 흙막이벽의 휨모멘트 감소에 도움을 주게 된다.  흙막이벽의 휨모멘트는 벽체의 변형곡률과 상관관계가 있으므로, 변위감소는 흙막이벽의 변형곡률을 작게 만들어 궁극적으로 최대휨모멘트의 감소를 통해 가설구조물의 안정성 향상 효과를 볼 수 있다.

PROJECT Subway Line Design Example 1 (PL 50%) soil 1 매립토 8.3 1.8 0.9 0.0 30 2000 2 풍화토 11.5 1.9 1.0 0.0 33 3000 3 풍화암 25.0 2.0 1.1 3.0 35 5000 vwall 1 19.3 0.01348 0.000215 2.1e7 1.5 0.915
strut 1 0.8 0.02355 11.58 2.0 2 2.5 0.01348 11.58 2.5 3 5.1 0.01348 11.58 2.5 4 7.5 0.01348 11.58 2.5 5 9.8 0.01348 11.58 2.5 6 12.1 0.01348 11.58 2.5
	22.0 30.0 30.0 32.0 20.0		← 선행하중
anchor 1 14.2 4.935e-4 20.0 5.0 2.0 division 0.2 step 1 excavation to 1.3 output 1 iteration 10 0.1 rankine 1.0 0.0 gwl 2.0 surcharge 1.0 excavation 1.3 ............ ............ ............	30

그림 29.  2단계 해석 데이터

⑤ <설계예제 1>에 비해 버팀대 1단을 감소시킴에 따라, 선행하중을 작용하지 않은 경우에는 흙막이벽의 휨모멘트가 허용치를 초과하는 결과가 나타났으나, 선행하중을 작용하는 경우에는 휨모멘트가 허용치이내에 존재하였으며, 그 밖의 부재들에서도 안전한 결과를 나타내었다.  그러나 흙막이벽의 휨모멘트가 허용치에 근접해 있음으로 [3단계]에서 선행하중의 크기를 조절하여 휨모멘트를 좀더 줄이는 방법을 살펴보고자 한다.

표 7.  선행하중의 유무에 따른해석결과

항 목		버팀대 축력						흙막이 벽체			주변지반 침하량 (mm)
		주형보	1단	2단	3단	4단	5단	최대수평 변위(mm)	휨모멘트 (t‧m)	전단력 (ton)
1단계 결과		6.23	43.52	60.71	59.75	63.55	39.60	41.65	20.67	18.51	64.29
2단계 (50%)	선행하중	0	22	30	30	32	20	22.60	17.10	20.77	22.43
	결과	6.23	50.95	76.26	72.37	75.83	47.46
허용치		-	신재기준 약 100톤					-	17.52	32.20	-

[3단계] 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화 하기 위한 선행하중의 크기 선정

① [1단계]에서 언급한 바와 같이 흙막이벽의 최대휨모멘트의 크기가 약 14.3tf‧m/m까지 줄어들 것으로 예측되므로 버팀대에 작용할 선행하중의 크기를 조절해 보기로 한다.

② 먼저 [2단계]의 결과파일(tot)을 나타낸 그림 30을 살펴보면 step 5에서 최대정모멘트가 발생하였으므로  step 5에서 설치될 4번째 버팀대(주형보포함)의 선행하중을 증가시킬 필요가 있음을 알 수 있다.  또한 step 4에서 발생한 부모멘트의 값이 -15.66tf‧m/m로써 정모멘트14.58tf‧m/m보다 큰 값이 발생하였으므로 3번째 버팀대의 선행하중은 다소 감소시키는 것이 필요할 것이다.

>> Min and Max of Pile Force <<

Step   Exca      ---- S H E A R (t/m) ----      --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth     Max   Depth     Min   Depth     Max   Depth     Min   Depth

1    1.30     0.57   4.00    -0.98   1.50     0.14   7.30    -1.34   2.70

2    3.00     2.65   0.80    -1.76   4.20     2.70   2.70    -1.01   6.10

-3    3.00     4.58   2.50    -4.22   2.50     1.21   5.90    -5.05   2.50

3    5.50    11.86   2.50    -8.52   2.50     7.72   5.50   -12.36   2.50

-4    5.50     7.38   5.00    -4.62   5.00     3.33   7.10    -5.09   2.50

4    8.00    20.04   5.00   -10.46   5.00    14.58   7.80   -15.66   5.00

-5    8.00    13.52   5.00    -7.50   5.00     8.45   8.80    -9.35   5.00

5   10.30    20.77   7.50   -13.46  11.50    17.10   9.60   -10.51  13.00

-6   10.30    14.09   7.50    -9.27  11.70    10.67   9.00    -9.17   5.00

6   12.60    17.93   9.80   -12.40   9.80    12.11  11.20    -8.93   5.00

-7   12.60    13.72   9.80   -13.83  12.10    10.12  10.90    -9.01   5.00

7   14.70    12.41   9.80   -15.14  12.10     8.35  10.90    -9.02   5.00

8   16.50    13.32   9.80   -14.23  12.10     9.40  10.90    -9.01   5.00

Note : unit is per m

그림 30.  2단계 해석결과 파일(tot) 중 일부

③ 따라서 다음과 같이 버팀대 2단과 3단의 선행하중을 조정하여 해석하였으며, 그 결과를 표 8에 정리하였다.

□ 2단(3번째) 버팀대 : 30톤(50%)→27톤(45%)  □ 3단(4번째) 버팀대 : 30톤(50%)→48톤(80%)

표 8.  선행하중조정에 따른 해석결과

항 목		버팀대 축력						흙막이벽			주변지반침하량 (mm)
		주형보	1단	2단	3단	4단	5단	최대수평 변위(mm)	휨모멘트 (t‧m)	전단력 (ton)
1단계 결과		6.23	43.52	60.71	59.75	63.55	39.60	41.65	20.67	18.51	64.29
2단계 (50%)	선행하중	0	22	30	30	32	20	22.60	17.10	20.77	22.43
	결과	6.23	50.95	76.26	72.37	75.83	47.46
3단계	선행하중	0	22	27	48	32	20	21.55	14.95	22.15	16.11
	결과	6.23	50.95	73.18	87.73	72.61	45.14
허용치		-	신재기준 약 100톤					-	17.52	32.20	-

④ 선행하중을 조정하여 해석한 결과, 선행하중의 크기를 증가시킨 3단 버팀대의 축력이 증가하였으나, 아직 허용응력내에 있으며, 흙막이벽의 휨모멘트와 최대수평변위 그리고 주변 지반 침하량은 감소하는 것을 알 수 있다.  특히 흙막이벽의 휨모멘트는 예측한 값과 비슷한 14.95tf‧m/m로 줄어들어 허용치에 근접했던 [2단계]보다 안정성을 확보할 수 있게 되었다.

⑤ 그림 31은 최종굴착시를 기준으로 선행하중을 작용하지 않은 [1단계]와 50%의 선행하중을 작용한 [2단계], 그리고 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화하기 위한 최적 선행하중을 작용한 [3단계]의 해석결과를 도식화한 것이다.

그림 31.  선행하중량 조절에 따른 벽체의 휨변형 및 휨모멘트의 변화(최종굴착시)

<설계예제 2>  건축현장 흙막이 가시설 설계

건축현장에서는 흙막이 가시설로써 H-Pile+토류판, SCW, CIP, D-Wall 등을 사용하고 있으며, 설계해석은 유사하므로 본 예제에서는 중간정도의 강성을 가지고 있는 CIP를 이용한 가시설 설계를 살펴보고자 한다.

설계조건과 지반조건은 다음 그림 32와 같으며, 지하수위는 G.L. -10.0m로 가정하였다.

[설계조건]

□ 흙막이벽체  : CIP (Φ400, C.T.C 400), H-300×200×9×14 (C.T.C 2000)

□ 버팀대 제원 : H-300×300×10×15          □ 최종 굴착 심도 : G.L. -22.6m

□ 버팀대 수평간격 : 5m/2ea                  □ 흙막이 벽체의 근입심도 : G.L. -24.6m

□ 굴착폭 : 32m

매립토

γt = 1.7 t/m3, Φ=27°

c = 0 t/m2

충적토

γt = 1.8 t/m3, Φ=30°

c  = 0 t/m2

풍화암

γt = 1.9 t/m3, Φ=35°

c = 5 t/m2

그림 32.  건축현장 가시설 단면도 및 지반조건

[1단계] ‘버팀대 설계하중’ 계산

① 버팀대에 작용할 선행하중의 크기를 결정하기 위해 그림 33과 같이 데이터를 작성하여 해석연산을 수행하였다.  언급한 바와 같이 ‘버팀대 설계하중’이란 선행하중을 작용하지 않고 해석하였을때 버팀대 각단에서 발생한 최대축력을 말한다.

② 해석결과(그림 34 참고)를 살펴보면 최대전단력은 22.21t/m, 흙막이벽의 최대수평변위는 19.55mm, 그리고 주변지반의 침하는 27.94mm가 발생하였다.  최대모멘트는 정모멘트로써 20.25tf‧m/m가 발생하였고, ‘최대부모멘트’는 4.95tf‧m/m가 발생하였으며, <설계예제 1>에서와 같이 경험적인 방법으로 예측하건대 최대로 줄일 수 있는 모멘트의 크기는 대략 12.6tf‧m/m(=[20.25tf‧m/m+4.95tf‧m/m]/2) 정도가 될 것으로 생각된다.

project  Case 2

soil  1   매립층

6.7    1.7    0.8   0    27    1600

2   충적층

14.7    1.80   0.90  0    30    3000

3   풍화암

30.0    1.90   0.9   5    35    5000

vwall  1  24.6  0.0335  0.000381  21000000  1.0   1.0

strut  1   1.5  0.02396   16  5.0   0

2   4.5  0.02396   16  5.0   0

3   7.5  0.02396   16  5.0   0

4  10.5  0.02396   16  5.0   0

5  13.5  0.02396   16  5.0   0

6  16.5  0.02396   16  5.0   0

7  19.5  0.02396   16  5.0   0

division   0.2

output 1

step 1  excavation to 2.0

output   0

iteration   10  0.1

gwl   10.0   10.0   1.0

rankine  1.0   0.0   50

surcharge    1.0

excavation   2.0

step 2  excavation to 5.0 and strut 1

const strut 1

.....

>> Min and Max of Pile Force <<

Step   Exca  ---- S H E A R (t/m) ----    --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth    Max  Depth    Min  Depth   Max  Depth    Min  Depth

1    2.00    1.26  4.80   -1.93  2.20    0.23 13.50   -3.04  3.40

2    5.00    4.33  1.50   -3.98  5.40    5.01  3.80   -3.54  7.50

3    8.00    7.50  4.50   -6.31  8.60    7.31  6.70   -4.95 10.20

4   11.00   15.55  7.50   -8.90 13.00   16.25 10.70  -11.64 15.20

5   14.00   13.32  7.50  -22.21 14.70   20.25 12.40  -18.68 15.80

6   17.00   12.37  7.50  -12.22 13.50   15.11 12.20  -14.74 17.60

7   20.00   12.34  7.50  -12.88 13.50   14.07 12.00  -11.14  7.50

8   22.60   12.35  7.50  -12.89 13.50   14.10 12.00  -11.14  7.50

Note : unit is per m

>> Strut Force <<

------- S T R U T  N o.  a n d  D E P T H  --------

Step   Exca       1      2      3      4      5      6      7

No   Depth     1.50   4.50   7.50  10.50  13.50  16.50  19.50

1    2.00     0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

2    5.00    27.15   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

3    8.00    17.46  55.93   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00

4   11.00    13.51  37.18 116.34   0.00   0.00   0.00   0.00

5   14.00    14.13  33.37 108.35  70.53   0.00   0.00   0.00

6   17.00    14.35  33.42 103.34  67.71  99.47   0.00   0.00

7   20.00    14.35  33.58 103.03  64.55 104.39  65.70   0.00

8   22.60    14.35  33.59 103.08  64.45 103.26  67.08  23.35

Note : unit of force = t/ea

그림 33.  1단계 해석 데이터 중 일부           그림 34.  해석결과 파일(.tot)중 일부

[2단계] 50% 선행하중을 작용하여 해석

① 일반적으로 선행하중의 크기는 버팀대 설계하중의 50～80%가 적당하다고 제안되었으므로 본단계에서는 [1단계]에서 계산된 버팀대 각단의 설계하중의 50%를 선행하중으로 작용하여 해석하였다(표 9참조).

- 1단 버팀대의 설계하중이 27.2톤이므로 50%에 해당하는 13톤을 선행하중으로 작용

- 2단 버팀대의 설계하중이 55.9톤이므로 50%에 해당하는 28톤을 ‧‧‧‧‧

② 50% 선행하중을 작용하기 위한 데이터는 그림 35와 같다.

Project Case 1 (50% PL) soil 1 매립층 6.7 1.7 0.8 0 27 1600 2 충적층 14.7 1.80 0.90 0 30 3000 3 풍화암 30.0 1.90 0.9 5 35 5000 vwall 1 24.6 0.0335 0.000381 21000000 1.0 1.0
strut 1 1.5 0.02396 16.00 5.0 2 4.5 0.02396 16.00 5.0 3 7.5 0.02396 16.00 5.0 4 10.5 0.02396 16.00 5.0 5 13.5 0.02396 16.00 5.0 6 16.5 0.02396 16.00 5.0 7 19.5 0.02396 16.00 5.0	13.0 28.0 58.0 35.0 52.0 33.0 11.0	← 선행하중
division 0.2 output 1 step 1 excavation to 2.0 output 0 iteration 10 0.1 gwl 10.0 10.0 1.0 rankine 1.0 0.0 50 surcharge 1.0 excavation 2.0 ............ ............

그림 35.  2단계 해석 데이터

③ 50%의 선행하중을 작용하여 해석한 결과(표 9 참조)에서 알 수 있듯이 버팀대 최대축력은 다소 증가하여, 133ton/2ea이 발생하였으나 허용응력인 200ton/2ea에 비해 충분히 여유를 가지고 있으며, 흙막이벽의 전단력과 휨모멘트, 그리고 최대수평변위는 선행하중에 의해 많이 감소되었다.

④ 표 9에서 흙막이벽의 전단력과 휨모멘트의 허용치는 CIP 벽체의 특성상 철근배근에 따라 달라질 수 있으므로 여기서는 임의로 선정한 값을 이용하였다.  어쨌든 흙막이벽의 휨모멘트가 작아질수록 벽체에 배근되어야 하는 철근의 수와 크기가 줄어듦으로 선행하중을 통해 경제적인 흙막이벽을 설계할 수 있을 것이다.  따라서 [3단계]에서는 비교적 여유가 많은 버팀대에 선행하중의 크기를 증가시켜 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화하는 방안을 검토해 보았다.

표 9.  선행하중의 유무에 따른해석결과

항 목		버팀대 축력(2ea)							흙막이 벽체			주변지반 침하량 (mm)
		1단	2단	3단	4단	5단	6단	7단	최대수평 변위(mm)	휨모멘트 (t‧m)	전단력 (ton)
1단계 결과		27.15	55.93	116.34	70.53	104.39	67.08	23.35	19.55	20.25	22.21	27.94
2단계 (50%)	선행하중	13	28	58	35	52	33	11	11.82	17.96	19.00	12.35
	결과	31.57	64.58	133.45	100.77	115.03	64.62	21.90
허용치		신재기준 약 200ton/2ea							-	22.00	32.00	-

[3단계] 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화 하기 위한 선행하중의 크기 선정

① [2단계]의 해석결과를 나타낸 그림 36을 살펴보면 step 4에서 발생한 정모멘트(15.18tf‧m/m)가 부모멘트(-14.28tf‧m/m)보다 크게 발생하였으므로 해당되는 3단 버팀대의 선행하중을 조금 증가시키는 것이 필요하다.  step 5에서도 부모멘트에 비해 큰 최대정모멘트(17.96tf‧m/m)가 발생하였으므로 해당 버팀대인 4단 버팀대의 선행하중을 증가시킬 필요가 있음을 알 수 있다.

>> Min and Max of Pile Force <<

Step   Exca      ---- S H E A R (t/m) ----      --- M O M E N T (tm/m) ---

No   Depth     Max   Depth     Min   Depth     Max   Depth     Min   Depth

1    2.00     1.26   4.80    -1.93   2.20     0.23  13.50    -3.04   3.40

-2    2.00     1.48   1.50    -1.12   1.50     0.54   4.50    -0.68   1.50

2    5.00     4.76   1.50    -3.53   5.40     5.54   4.00    -2.49   7.80

-3    5.00     2.82   1.50    -3.23   4.50     1.97   3.20    -0.73   8.20

3    8.00     8.46   4.50    -5.38   8.60     6.79   6.90    -4.06   4.50

-4    8.00     4.18   4.50    -6.59   7.50     2.48   5.80    -3.09   7.50

4   11.00    16.54   7.50    -9.77   7.50    15.16  10.80   -14.29   7.50

-5   11.00    12.38   7.50    -8.44   7.50     8.73  11.20    -9.79   7.50

5   14.00    16.03  10.50   -19.07  14.70    17.94  12.60   -13.41  16.00

-6   14.00    12.10  10.50   -12.60  14.70    13.51  12.20   -10.75   7.50

6   17.00    11.18  10.50   -12.42  13.50    10.30  12.20   -10.57   7.50

-7   17.00    11.49  10.50   -12.10  13.50    11.05  12.20   -10.62   7.50

7   20.00    11.17  10.50   -12.42  13.50    10.51  12.20   -10.57   7.50

-8   20.00    11.19  10.50   -12.41  13.50    10.53  12.20   -10.57   7.50

8   22.60    11.20  10.50   -12.39  13.50    10.57  12.20   -10.58   7.50

Note : unit is per m

그림 36.  2단계 해석결과 파일(tot) 중 일부

② 따라서 다음과 같이 버팀대 3단과 4단의 선행하중을 조정하여 해석하였다(표 10참고).

□ 3단 버팀대 : 58톤(50%) → 60톤(52%)       □ 4단 버팀대 : 35톤(50%) → 110톤(156%)

③ 여기서 4단 버팀대의 선행하중을 156%까지 작용시킨 것은 4단 버팀대가 3단(116톤)이나 5단(104톤)에 비해 힘을 제대로 받지 못하고 있으며, 변위를 많이 허용하고 있기 때문이다.  따라서 선행하중을 100%이상 작용하였으나, 실제로는 원래 4단이 받아야 할 축력의 100%에 해당된다고 볼 수 있다.  또한 흙막이벽의 중간부분에서 최대수평변위가 발생하므로 이 부분에서 최대(100%정도)의 선행하중이 요구되는 것으로 생각된다.

표 10.  선행하중조정시 해석결과

항 목		버팀대 축력							흙막이벽			주변지반침하량 (mm)
		1단	2단	3단	4단	5단	6단	7단	최대수평 변위(mm)	휨모멘트 (t‧m)	전단력 (ton)
1단계 결과		27.15	55.93	116.34	70.53	104.39	67.08	23.35	19.55	20.25	22.21	27.94
2단계 (50%)	선행하중	13	28	58	35	52	33	11	11.82	17.96	19.00	12.35
	결과	31.57	64.58	133.45	100.77	115.03	64.62	21.90
3단계	선행하중	13	28	60	110	52	33	11	10.92	14.97	20.08	6.90
	결과	31.57	64.58	133.99	155.01	97.31	58.16	22.54
허용치		신재기준 약 200ton/2ea							-	22.00	32.00	-

④ 선행하중을 조정하여 해석한 결과, 선행하중의 크기를 156%로 증가시킨 4단 버팀대의 축력이 증가하였으나 아직 허용응력내에 있으며, 흙막이벽의 휨모멘트와 최대수평변위 그리고 주변 지반 침하량은 감소하는 것을 알 수 있다.  특히 흙막이벽의 휨모멘트는 14.97tf‧m/m로 줄어들어 경제적인 흙막이벽의 설계가 가능할 것으로 생각된다.

⑤ 그림 37은 최종굴착시를 기준으로 선행하중을 작용하지 않은 [1단계]와 50%의 선행하중을 작용한 [2단계], 그리고 흙막이벽의 휨모멘트를 최소화하기 위해 최적 선행하중을 작용한 [3단계]의 해석결과를 도식화한 것이다.

그림 37.  선행하중량 조절에 따른 벽체의 휨변형 및 휨모멘트의 변화(최종굴착시)

[4단계] 초기 선행하중 결정

① 앞서 언급한 바와 같이 초기 선행하중은 수치해석시 입력된 선행하중량(Effective Preload)이 흙막이벽에 작용하도록 버팀대 교차부 등의 손실을 고려하여 실제 버팀대상에 설치된 선행하중잭에 작용할 하중을 말한다.

② 버팀대 교차부에 의해 손실된 선행하중량은 교차부 개소당 2.5톤 정도이며11), 선행하중잭이 버팀대 1본당 1개가 설치되므로 버팀대 1본당 평균손실량은 ‘버팀대 1본이 만나는 교차부 총 개수의 절반’×‘2.5톤’이 된다.  여기서 교차부 총 개수가 절반이 된 이유는 선행하중이 선행하중잭의 양쪽으로 전달되기 때문에 양쪽 흙막이벽에 전달되는 선행하중에서 교차부의 손실량은 각각 절반이 되기때문이다.

③ 국내 건축현장에서는 H-300 형강의 2열 버팀대를 많이 이용하고 있으며, 이 경우 2열 버팀대를 1열 버팀대(단면적)로 환산하여 흙막이 구조물의 수치해석을 하는 경우가 많다.  이때 2열 각각의 버팀대에 작용하는 축력은 수치해석에 의해 계산된 버팀대 축력의 절반이며, 선행하중의 크기도 버팀대 본당 절반이 작용되는 것이다.  따라서 2열의 각 버팀대당 초기 선행하중는 ‘수치해석시 입력된 선행하중량의 절반’ + ‘버팀대 1본이 만나는 교차부 총 개수의 절반’ × ‘2.5톤’ (교차부 손실량)이 된다.

④ 버팀대에 작용하는 선행하중의 최소크기는 흙막이벽과 지보재들의 설치상황 등 현장조건에 따라 달라질 수 있으나, 15톤 이상되어야 지보재들간에 존재하는 틈새를 줄일 수 있어 효과적이다.

⑤ 본 <건축 현장 예제>의 [3단계]에서 초기 선행하중을 계산하면 표 11과 같다.

표 11.  선행하중 재하표

	설계하중 (톤/본)	유 효 선행하중 (톤/본)	선행하중/설계하중 (%)	교차부 손실량	초 기 선행하중 (톤/본)	재하단계			비 고
						1회 (예비재하)	2회 (본재하)	3회 (본재하)
1 단	14톤	7톤	50%	5.0톤	15톤	10톤	15톤	-	최소 15톤
2 단	28톤	14톤	50%	5.0톤	19톤	10톤	19톤	-
3 단	58톤	30톤	52%	5.0톤	35톤	10톤	35톤
4 단	35톤	55톤	156%	5.0톤	60톤	10톤	30톤	60톤
5 단	52톤	26톤	50%	5.0톤	31톤	10톤	31톤	-
6 단	34톤	17톤	50%	5.0톤	22톤	10톤	22톤	-
7 단	12톤	6톤	50%	5.0톤	15톤	10톤	15톤	-	최소 15톤
참 고	1) 교차부 손실량 (교차부 4개소) = 4개소×1/2×2.5톤 = 5.0톤 2) 버팀대의 최소 선행하중량 = 15톤/본

6. 시공방법

6.1 선행하중잭 배치

선행하중잭의 설치위치는 선행하중량이 흙막이벽에 균등하게 전달되게 하기 위하여 그림 38에 표시한 것과 같이 버팀대의 중앙부 근처에 지그재그로 설치하는 것을 원칙으로 한다.  또한 선행하중잭의 위치는 다른 부분 보다 휨모멘트에 대한 저항력이 작기 때문에 중간말뚝 부근에 설치하는 것이 바람직하다.

그림 38.  선행하중잭 배치 예

6.2 버팀대 교차부 및 버팀대와 중간말뚝의 연결부 시공

일반적으로 버팀대의 좌굴검토시, 버팀대의 좌굴길이는 버팀대와 중간말뚝 간의 길이에 의해 결정되고, 중간말뚝과 버팀대 교차부는 힌지 연결로 고려되므로 중간말뚝과 버팀대 교차부는 이러한 조건에 맞게 설치되어야 한다.

버팀대의 교차부의 접합에는 ① U볼트(또는 I볼트)를 이용하는 방법, ② 볼트로 접합시키는 방법이 있는데, ①은 버팀보의 신축에 대하여 잘 대응할 수 있는데 반하여 볼트 접합에 비해 구속정도가 작으며, ②는 좌굴방지 측면에는 유리하지만, 온도변화 등에 따라 버팀대의 신축이 클 경우, 이차응력을 발생시킬 우려가 있다.  일반적으로 국내 지하철 현장 및 일본 등에서는 시공성 및 경제성이 좋은 ①의 방법이 많이 이용되고 있으며, 국내 건축현장에서는 ②의 방법이 많이 이용되고 있다.  단, 버팀대에 선행하중을 작용시킬 때, 버팀대는 선행하중의 작용방향으로 신축이 가능하여야 하므로 버팀대의 교차부의 접합에는 ①의 방법이 이용되어야 한다.

버팀대 교차부는 교차부의 형태에 따라 주버팀대(main strut)가 교차되는 경우와 주버팀대와 받

침보(substrut)가 교차되는 경우로 분류될 수 있다(그림 39, 40 참조).  각 경우에 대해서 시공방법은 여러 가지가 있을 수 있으므로 시공성과 경제성을 고려하여 적절한 방법을 선택해야 한다.

1) 주버팀대 2열이 교차하는 경우 (그림 39 참조)

① DSI Type

I볼트(∅22×780) 4개와 L형강(L75×75×9,ℓ=420) 4개를 이용하여 설치한다.  상현 버팀대의 수평방향(약축) 좌굴을 억제하기 위해서는 ‘중간말뚝과 버팀대 교차부 접합방법’을 따라야 한다.

② DSU Type

U볼트(∅22×1710) 2개와 L형강(L75×75×9,ℓ=420) 2개를 이용하여 설치한다.  상현 버팀대의 수평방향(약축) 좌굴을 억제하기 위해서는 ‘중간말뚝과 버팀대 교차부 접합방법’을 따라야 한다.

(a) DSI Type                       (b) DSU Type

그림 39.  주버팀대 2열이 교차하는 경우

2) 주버팀대와 받침보가 교차하는 경우(그림 40 참조)

① SSU-A Type

U볼트(∅22×1710～Var.) 1개와 L형강(L75×75×9,ℓ=420～Var.) 1개를 이용하여 설치한다.  주버팀대의 수평방향 좌굴을 방지하기 위하여 L형강(L-75×75×9,ℓ=100)을 받침보의 좌우에 용접한다.

② SSU-B Type

주버팀대의 수평방향 좌굴을 방지하기 위하여 L형강(L-75×75×9,ℓ=100)을 받침보에 용접하고, 받침보에 U볼트(∅22×1110～Var.)를 체결한다.

③ SSI Type

I볼트(∅22×780～Var.) 2개와 L형강 2개(L75×75×9,ℓ=420～Var.)가 이용되고 주버팀대의 수평방향 좌굴을 방지하기 위하여 L형강(L-75×75×9,ℓ=100)을 받침보에 용접한다.

(a) SSU-A Type               (b) SSU-B Type               (c) SSI Type

그림 40.  주버팀대와 받침보가 교차하는 경우

3) 중간말뚝과 버팀대 교차부 접합방법

주버팀대의 수평방향 및 수직방향 좌굴을 방지하기 위해, L형강을 이용하여 만든 ‘버팀대 좌굴방지재’를 설치한다.  그림 41에 표시한 것과 같이 ‘버팀대 좌굴 방지재’는 L형강 3개를 이용하여 삼각형태로 만든 뒤, 주버팀대 상부에 위치하도록 지주말뚝에 용접 또는 볼트로 연결한다.  이때 주버팀대 상부에 위치한 L형강에 수평방향 좌굴방지재를 용접해야 한다.

그림 41.  중간말뚝과 버팀대 교차부 접합방법

6.3 선행하중잭 설치

1) 선행하중잭 준비

① 선행하중잭을 재사용(구재)하는 경우에는 선행하중잭의 길이가 일정하지 않을 수 있으므로 먼저 그 길이를 맞추어야 한다.  즉 선행하중잭의 상부몸체가 나사축에서 풀려 있으면, 상부몸체를 반시계 방향으로 최대한 돌려서 감아 주고, 멈춤나사도 멈춤나사의 핸들을 반시계 방향으로 돌려, 나사축의 끝부분에 멈춤나사가 위치하도록 하여 선행하중잭의 길이가 600mm가 되도록 맞추어야 한다.

② 그리고 선행하중잭을 운반하는 도중에 선행하중잭의 나사축이 하부몸체와 분리되지 않도록 하기 위해, 하부몸체의 운반고리와 멈춤나사 위부분의 축과를 철사 등을 이용하여 묶어 주어야 한다.

2) 버팀대의 길이 결정

선행하중잭의 길이(600mm)에 맞게 버팀대의 길이를 결정한다.

3) 버팀대와 선행하중잭 연결

지상에서 필요한 길이에 맞게 절단된 버팀대와 선행하중잭의 하부몸체를 연결한다.  연결에는 직경 22mm 볼트가 이용되며, 연결구멍의 중심간 거리는 200mm이다.

4) 버팀대 설치 및 선행하중잭 길이 조정

지상에서 선행하중잭과 버팀대와의 연결이 완료되면, 버팀대를 크레인이나 기타 장비를 이용하여 계획된 위치로 운반하고, 선행하중잭의 상부몸체를 돌려서 버팀대에 밀착되도록 한 뒤, 버팀대와 선행하중잭의 상부몸체를 볼트로 연결한다.  이때 선행하중잭의 상부몸체의 나사가 70mm(8산)이상 나오지 않도록 주의하며, 선행하중잭이 기울어지지 않도록 주의한다.

6.4 선행하중 재하단계 설정

1) 초기 선행하중량 결정

① 현장에서 버팀대에 작용시킬 선행하중량(초기 선행하중량, initial preload, jacking force)은 구조계산서에 제시된 선행하중량을 기준으로 하고, 버팀대 교차부의 마찰에 의한 손실량을 고려하여 아래의 ③ 또는 ④항에 따라 결정한다.  단, 설계시 교차부의 손실량을 고려한 경우에는 그 값을 초기 선행하중량으로 한다.

② 수치해석에 의한 흙막이 구조물의 설계시, 선행하중항목에 입력된 선행하중량(유효 선행하중량, effective preload)은 선행하중이 흙막이 벽체에 100% 전달되었을 때를 기준으로 한 것이나, 현장에서 선행하중을 작용시키면, 선행하중이 흙막이 벽체로 전달되는 과정에서 버팀대

교차부의 마찰에 의해 줄어들게 된다.  버팀대 교차부에 의해 선행하중이 손실되는 량은 교차부 개소당 2.5톤 정도이며11), 선행하중잭이 지그재그로 설치되므로, 버팀대 1본 당 평균손실량은 ‘버팀대 1본이 만나는 교차부 총 개수의 절반’×‘2.5톤’이다.

③ 국내 지하철 현장에서와 같이 1열의 버팀대를 이용하는 경우, 초기 선행하중량은 ‘수치해석시 입력된 선행하중량’ + ‘버팀대 1본이 만나는 교차부 총 개수의 절반’×‘2.5톤’ (교차부 손실량)이다.

④ 국내 건축현장에서는 H-300 형강의 2열 버팀대를 많이 이용하고 있으며, 흙막이 구조물에 관한 수치해석시, 버팀대의 단면적 항목에 2열의 버팀대 단면적(1열의 버팀대 단면적×2)을 입력하는 경우가 많기 때문에 수치해석에 의해 출력된 버팀대의 축력은 2열의 버팀대에 해당하는 값이다.  따라서, 버팀대 1열에 작용하는 축력은 계산된 버팀대 축력의 절반이며, 이 경우 1열의 버팀대 당 초기 선행하중량은 ‘수치해석시 입력된 선행하중량(2열의 버팀대)’ + ‘버팀대 1열이 만나는 교차부 총 개수’×‘2.5톤’ (교차부 손실량)에 해당하는 값의 절반이다.

⑤ 1열의 버팀대 당 초기 선행하중량의 최소값은 흙막이벽과 지보재들의 설치상황 등 현장조건에 따라 달라질 수 있으나, 15톤 이상이어야 한다.  이 값은 지보재들간에 존재하는 틈새를 줄여주는데 필요한 최소량이다.

⑥ 선행하중량이 구조계산서 내에 제시되어 있지 않은 경우에는 구조계산서 내에 수록된 각 단별 버팀대의 최대축력을 파악한 다음, 각 단 버팀대의 최대축력의 50~80%에 해당하는 하중을 각 단의 선행하중으로 설정하되, 감리 또는 감독관의 승인을 얻어야 하며, 필요에 따라 재계산을 해야 한다.

2) 예비재하 단계

① 일반적으로 본재하에 앞서 예비재하의 단계를 두는 것이 좋으며, 예비재하의 목적은 버팀대 설치상태(수직도 및 수평도)를 확인하고, 버팀대와 중간말뚝의 교차부 및 버팀대 간의 교차부, 버팀대와 띠장의 연결부 상태를 확인하여, 재하시 버팀대의 틀어짐 현상을 초기에 방지하기 위함이다.

② 예비재하는 위의 사항을 고려하여 10톤 내외의 크기로 하며, 예비재하시 문제가 발생하면 즉시 재하를 중단하고, 문제점들을 해결한 뒤, 다시 예비재하를 행해야 한다.

3) 본재하 단계

① 예비재하를 행한 결과, 이상이 없는 경우에 본재하를 행한다.

② 재하시, 재하 단계는 작용 선행하중량에 따라 1/2～1/4 (약 20톤)으로 나누어 행한다.

③ 재하시 버팀대의 선형을 점검하여 좌굴이나 틀어짐 현상이 있을 경우에는 선행하중을 제거하고, 버팀대의 선형을 바로 잡은 뒤, 다시 선행하중을 재하해야 한다.

표 12. 선행하중 재하 도표예

	설계하중 (톤/본)	유 효 선행하중 (톤/본)	선행하중/설계하중 (%)	교차부 손실량	초 기 선행하중 (톤/본)	재하단계			비 고
						1회 (예비재하)	2회 (본재하)	3회 (본재하)
1 단	16톤	8톤	50%	5톤	13톤	10톤	15톤	-	최소 15톤
2 단	33톤	17톤	52%	5톤	22톤	10톤	22톤	-
3 단	45톤	23톤	51%	5톤	28톤	10톤	28톤	-
4 단	65톤	32톤	49%	5톤	37톤	10톤	30톤	37톤
5 단	75톤	37톤	49%	5톤	42톤	10톤	30톤	42톤
6 단	60톤	30톤	50%	5톤	35톤	10톤	30톤	35톤
단
단
단
참 고	1) 교차부 손실량 (교차부 4개소) = 4개소×1/2×2.5톤 = 5톤/1열 2) 예비재하량 : 10톤 적용 3) 본재하량 : 20톤 적용 4) 최소 초기 선행하중량 : 15톤 적용

6.5 선행하중 재하

1) 재하전 점검

① 띠장부 점검

선행하중을 작용하기 전에 띠장부에는 스티프너를 설치해야 하며, 띠장부에 채움 콘크리트를 설치한 경우, 콘크리트가 경화되어 있는지 확인한다.

② 버팀대 점검

버팀대의 선형도(수평도 및 연직도)를 확인한다.

띠장과 버팀대, 띠장과 사보강재 등 연결부의 체결은 완전한지 확인한다.

U볼트는 느슨하게 체결되어 있는지 확인한다.

버팀대의 교차부 등에 버팀대의 신축을 방해하는 부착물이 있는지 확인한다.

선행하중을 작용하기 전에는 버팀대와 하현재 그리고 버팀대들 간의 브래이싱에 볼트를 체

결 해서는 안된다.  브레이싱이 필요한 경우에는 선행하중을 작용한 후에 설치해야 한다.

③ 기타

유압실린더와 수동 또는 전동 유압펌프가 준비되어 있는지 확인하고, 유압펌프의 호스에서 오일이 새지 않는지 확인한다.

2) 선행하중 재하

① 사전준비 및  각 부의 점검이 완료되었으면, 유압실린더를 선행하중잭의 하부몸체에 삽입한다.

※ 버팀대가 상하로 교차하는 경우, 하단의 버팀대에 먼저 선행하중를 재하한 뒤, 상단의        버팀대에 선행하중을 재하해야 한다.

② 유압실린더에 수동 또는 전동 유압펌프의 호스를 연결시킨다.

③ 유압펌프의 오일밸브는 잠그고, 에어밸브는 연 다음, 설정된 재하단계별로 선행하중을 재하한다.  오일밸브는 유압펌프의 전방부에 위치하며, 에어밸브는 유압펌프의 후방부에 위치하며 오일탱크 위에 있다.

④ 재하책임자는 예비재하인 경우에는 예비재하시 주의해야 할 사항들을 확인하고, 본재하인 경

우에는 본재하시 측정해야 하는 사항들을 확인한 뒤, 계획된 재하단계에 따라 작업을 진행한다.

⑤ 유압펌프에 설치된 유압계가 설정된 크기(작업 선행하중량)에 도달하면, 선행하중잭의 멈춤나사를 선행하중잭의 하부몸체까지 돌려 하부몸체에 밀착되도록 하여 하중의 손실을 최소화한다.  단, 선행하중잭의 하부축 나사가 70mm(나사산으로 8산)이상 나오지 않도록 해야 한다.

⑥ 유압펌프의 오일밸브을 열고, 유압실린더를 선행하중잭의 하부몸체에서 빼낸다.

⑦ 각종 측정항목의 확인 결과, 이상이 발견될 경우에는 선행하중을 제거하고 그 원인을 분  석․해결한 뒤 작업을 진행한다.

⑧ 선행하중 작업시, 좌굴의 위험이 예상되는 곳에는 U볼트 및 L형강 등을 이용하여 좌굴방지를 위한 보강작업이 선행되어야 한다.

⑨ 선행하중 작업을 완료한 후에는 U볼트 또는 I볼트 등 재하 전에 느슨하게 가체결되어 있던 조임을 완전하게 체결한다.

선행하중 작업 중 기타 문제가 발생할 때에는 감리 또는 감독관과의 협의를 통해 보완토록 한다.

3) 작업 분담 및 필요 인원

① 작업 책임자  :  선행하중 작업에 따른 전체사항을 관장하는 책임자 (1인)

② 유압펌프 작동자  :  유압펌프 및 선행하중잭 작동 요원 (1인 이상)

③ 측정요원  :  작업시 측정사항을 확인하는 요원 (1인 이상, 작업 책임자와 겸할 수 있음)

4) 선행하중 작업시 확인 사항

측 정 항 목	측 정 기 기	비 고
선 행 하 중	유압펌프의 압력계	필 수
벽체의 변위	경사계, 피아노선	대표단면에 대해 측정
버팀보의 축력	하중계, 변형계, 유압계	대표단면에 대해 측정
버팀보의 수평도 및 연직도	목 시	필 수
선행하중 작용시 변위	변 위 계	대표단면에 대해 측정

6.6 선행하중 작업 후 관리 및 점검사항

1) 버팀대의 수평도 점검

목시를 통해 버팀대의 수평도를 점검한다.

2) 띠장부의 상태 점검

① 띠장부 보강 스티프너의 변형여부 또는 콘크리트의 균열여부를 점검한다.

② 띠장부 플랜지의 변형여부를 목시를 통해 점검한다.

3) 부재들간의 연결부 및 교차부 조임 정도 확인

① 버팀대간의 연결부와 버팀대와 띠장의 연결부 볼트의 조임 확인

② 버팀대와 받침보의 교차부에 설치된 U볼트의 조임 확인

4) 흙막이 벽체의 변위량 측정

① 경사계 또는 피아노선을 이용하여 흙막이 벽체의 변위를 측정한다.

② 흙막이 벽체의 변위가 관리치를 초과하는 경우, 감리‧감독관과 협의를 통해 추가 선행하중을 검토할 수 있다.

③  추가 선행하중의 검토시에는 특정 버팀대에 과도한 축력이 발생하지 않도록 주의해야 하며, 버팀대의 축력 전달에 방해되는 부재의 유무를 검토해야 한다.

5) 버팀대 축력의 경시변화 측정

버팀대 축력의 시간별 변화량이 관리치를 초과하는 경우, 감리‧감독관과 협의하여 선행하중의 감압 또는 필요한 경우 버팀대 보강을 검토한다.

6) 각종 계측을 통해 구조물의 안정성을 확인

6.7 버팀대 해체

1) 버팀대 해체전 확인작업

① 설계시 예상된 버팀대 축력과 측정된 버팀대 축력을 비교하여, 버팀대에 과도한 축력이 작용하고 있는지를 확인한다.

② 버팀대에 과도한 축력이 작용하는 경우에는 그 원인과 해당 버팀대 해체로 인해 발생할 문제점 등을 분석한 뒤, 필요한 경우 해체용 임시 지보재를 설치해야 한다.

2) 버팀대 축력 감압작업

① 사전준비 및 각 부 점검이 완료되면, 유압실린더를 선행하중잭의 하부몸체에 삽입한다.

② 버팀대에 과도한 축력이 작용하는 경우에는 해체용의 고압실린더를 사용한다.

③ 유압실린더에 유압펌프의 연결호스를 체결한 후, 유압펌프의 오일밸브는 잠그고, 에어밸브는 연다.

④ 선행하중잭의 멈춤나사와 하부몸체가 벌어질때까지 유압펌프를 작동시킨 후, 멈춤나사를 하부몸체의 반대편으로 돌려 하부몸체와 분리시킨다.

※ 버팀대 축력의 감압작업시, 흙막이벽의 휨과 다른 버팀대의 변형에 주의해야 하며, 버팀대가 상하로 교차하는 경우에는 상․하단 순으로 작업해야 한다.

⑤ 유압펌프의 오일밸브을 열고, 유압실린더를 선행하중잭의 하부몸체에서 빼낸다.

⑥ 버팀대간의 연결부와 버팀대와 띠장의 연결부 등의 볼트를 풀어 버팀대를 해체한다.

7. 선행하중공법 적용 사례

스마텍엔지니어링사에서는 굴착공사시 주변지반의 침하방지에 효과가 좋은 버팀대 선행하중공법을 국내에 일반화시키기 위하여, 국내 실정에 적합한 탈착식 선행하중장치를 개발하였다.  이 장치는 특허청으로부터 1998년에 의장등록되었으며, 1999년에 실용신안으로 등록되었다.  또한 1998년에는 건설교통부로부터 ‘흙막이 벽체를 지지하기 위한 탈착식 선행하중장치 및 그 적용’ 이라는 명칭으로 신기술로 지정된 바 있다.

탈착식 선행하중장치를 이용하여 1997년 3월부터 1998년 12월까지 흙막이 구조물을 시공한 현장은 표 13과 같으며, 현재 서울 지하철 9호선과 광주 지하철 1호선 등의 설계에 반영되어 있다.

표 13.  선행하중공법을 적용한 현장7)

순서	공 사 명	시 공 사	설 계 사	비고
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718 19 20 21 22 23	양평 P/S 현장 시흥-광명 아파트 대구백화점 구미점 사당 아파트 현장 신내동 주상복합 호텔신라 대치점 한남동 H-Project 구리 삼성생명 현장 일산 현대 오피스텔 삼성 애니텔현장 서한시티파크 청호빌라 재건축 동원 재개발아파트 장우 프라자 대구 삼성생명 현장 서초 삼성 현장 동부이촌동 아파트현장 일산 대교 사옥 현장 역삼동 R&B 현장 성수동 동양 아파트 현장 대구 보험회관 현장 대구지하철 1호선유천교 대구지하철 2-3공구	삼성물산 경남기업 대백건설 신 한 삼익건설 삼성물산 삼성물산 삼성중공업 고려산업개발 삼성물산 서 한 우 방 삼성물산 신영건설 삼성물산 삼성물산 동부건설 영동건설 현대산업개발 동양고속건설 삼환까뮤 화성산업 삼성중공업	한국지오컨설턴트 동양기술개발공사 새길엔지니어링 노아엔지니어링 정 담 새길엔지니어링 한국지오컨설턴트 새길엔지니어링 천일기술단 새길엔지니어링 한국지오컨설턴트 신우지오테크닉 새길엔지니어링 동양기술개발공사 새길엔지니어링 새길엔지니어링 정맥엔지니어링 만영엔지니어링 새길엔지니어링 서신엔지니어링 서신엔지니어링 도화종합기술공사 도화종합기술공사	보강 보강 보강 보강 보강 보강 보강 보강

7.1 역삼동 ○○현장

1) 설계시 선행하중 효과 비교

본 현장의 지반 조건은 그림 42에 나타난 바와 같이 상부로부터 매립토, 풍화 잔류토, 풍화암의 순으로 분포되어 있으며, 지하수위는 평균 GL(-)10.0m에 위치하고 있다.  현장의 좌우, 뒤측에 지하 1층, 지상 4～5층 규모의 건물들이 아주 근접하여 위치하고 있으며, 정면으로 10m 도로가 위치하고 있다.  굴착면적은 31m×33m이고, 굴착깊이는 24.3m이다.

그림 42.  역삼동 ○○현장의 지반조건 및 버팀대 배치도

원 설계안은 스크류잭을 이용한 버팀대공법을 적용하고, 벽체는 800mm 두께의 철근콘크리트 지중연속벽, 버팀대 및 띠장의 제원은 H-300×300×10×15, 버팀대는 2열, 버팀대를 연직방향 8단으로 하는 것이었다.  그러나 굴착현장 주위에 위치한 건물들의 변위 발생을 최대한 억제하기 위하여 버팀대 선행하중공법을 적용하고, 원 설계안보다 경제적으로 시공하기 위하여 버팀대(2H-300×300×10×15, C.T.C 3.7m)를 7단으로 축소하는 것으로 설계를 변경하였다.  원 설계안과 선행하중공법을 적용하는 안에 대하여 탄소성해석을 행하여 표 14와 같은 결과를 얻었다.

표 14.  역삼동 ○○현장의 해석 결과             ( )는 설계기준에 대한 정규화 수치

항 목		버팀대	흙막이 벽체		변위 (mm)
버팀대 단수	선행하중의 유 무	축력(tf/1열)	모멘트 (tf‧m/m)	전단력 (tf/m)
7단	스크류잭	78.4 (0.65)	70.6 (0.90)	45.3 (1.03)	17.0
8단	스크류잭	80.3 (0.67)	69.9 (0.89)	43.5 (0.99)	16.5
7단	선행하중잭	71.4 (0.60)	59.0 (0.75)	34.2 (0.78)	9.2
설계기준		120.0	78.5	43.8	-

표 14의 해석결과에 의하면 버팀대의 수직단수를 7단(평균수직간격 2.7m)으로 하고, 스크류잭을 이용할 경우에는 벽체의 전단력이 설계기준를 넘기 때문에 8단(평균수직간격 3.0m)으로 하여야 하나, 버팀대의 수직단수를 7단으로 하고, 설계하중의 40%～90%를 선행하중으로 작용시키면, 설계기준에 모두 만족하기 때문에 7단으로 가능하게 됨을 알 수 있다.

그림 43.  역삼동 ○○현장의 설계항목별 해석결과 비교

2) 경제성 분석

(1) 설계 변경 내용 및 공사비 증감 내역

항 목	변경 전	변경 후	비 고
시 공 방 법	스크류잭	선행하중잭
버팀대 수직단수	8단	7단
버팀대 평균수평간격	3.8m	3.8m	2열 버팀대
버팀대 평균수직간격	2.7m	3.0m
공 사 비	-	3천만원 절감	공사기간 단축에 의한 공사비 절감은 제외
공사기간	-	20일 단축

(2) 공사비 증감 내역

버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 ①    :  47,078,060원 (↓)

스크류잭 자재비 ②                     :   2,688,000원 (↓)

선행하중장치 자재비 ③                 :  22,638,000원 (↑)

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

∴ 공사비 절감액                     :  27,128,060원 (↓)

① 버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 상세 내역

(단위 : 원)

공 종 명	규 격	수량	단위	재 료 비		노 무 비		경 비		합 계
				단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액
버팀대/띠장 1단 시공시 공사비		1	식		14,032,323		28,186,569		4,681,268		47,078,060
버팀보설치(3-5M)	H-300×300	32	본	3,138	100,416	44,404	1,420,928	20,123	643,936	67,665	2,165,280
버팀보철거(3-5M)		32	본	2,519	80,608	32,139	1,028,448	16,155	516,960	50,813	1,626,016
버팀보설치(6-8M)	H-300×300	17	본	3,675	62,475	52,007	884,119	23,569	400,673	79,251	1,347,267
버팀보철거(6-8M)		17	본	2,737	46,529	34,927	593,759	17,557	298,469	55,221	938,757
버팀보설치(9-11M)	H-300×300	12	본	3,945	47,340	55,831	669,972	25,302	303,624	85,078	1,020,936
버팀보철거(9-11M)		12	본	2,981	35,772	38,031	456,372	19,117	229,404	60,129	721,548
버팀보설치(12-14M)	H-300×300	26	본	4,748	123,448	67,196	1,747,096	30,453	791,778	102,397	2,662,322
버팀보철거(12-14M)		26	본	3,292	85,592	41,997	1,091,922	21,111	548,886	66,400	1,726,400
사보강연결재 설치	H-300×200	20	개소	13,226	264,520	46,815	936,300	721	14,420	60,762	1,215,240
사보강연결재 철거		20	개소			32,770	655,400			32,770	655,400
버팀보 제작	H-300×300	56	개소	7,613	426,328	19,183	1,074,248	904	50,624	27,700	1,551,200
버팀보 연결	H-300×300	24	개소	16,052	385,248	76436	1,834,464	20	480	92,508	2,220,192
버팀보 연결부 해체		24	개소			24,696	592,704			24,696	592,704
띠장 설치	H-300×300	124	M	394	48,856	5,583	692,292	2,530	313,720	8,507	1,054,868
띠장 철거		124	M	298	36,952	3,803	471,572	1,911	236,964	6,012	745,488
띠장 연결	H-300×300	12	개소	13,261	159,132	11,697	140,364	984	11,808	25,942	311,304
띠장 연결 해체		12	개소	870	10,440	7,534	90,408	676	8,112	9,080	108,960
띠장우각부 연결	H-300×300	4	개소	6,901	27,604	25,914	103,656	536	2,144	33,351	311,304
띠장우각부 연결 해체		4	개소			2,824	11,296			2,824	11,296
띠장받침 설치		62	개소	193	11,966	3,905	242,110	1,195	74,090	5,293	328,166
띠장받침 철거		62	개소	134	8,308	2,207	136,834	172	10,664	2,513	155,806
띠장스티프너 설치		176	개소	4,819	848,144	8,171	1,438,096	698	122,848	13,688	2,409,088
H-1TYPE 설치	버팀보 보강	240	개소	1,121	269,040	16,264	3,903,360			17,385	4,172,400
H-1TYPE 철거		240	개소			2,824	677,760			2,824	677,760
L형강 설치	L-100×100×10	228	M	1,048	238,944	4,999	1,139,772	202	46,056	6,249	1,424,772
L형강 철거	L-100×100×10	228	M	30	6,840	4,315	983,820	140	31,920	4,485	1,022,580
U-BOLT 설치	E1-TYPE	84	개소	2,192	184,128	9,968	837,312	282	23,688	12,442	1,045,128
U-BOLT 철거		84	개소			2,824	237,216			2,824	237,216
피스브라켓 제작	H-300×200	33	개소	9,200	303,600	38,741	1,278,453	1,052		48,993	1,582,053
피스브라켓 설치		33	개소	2,881	95,073	54,804	1,808,532			57,685	1,903,605
피스브라켓 철거		33	개소			18,176	599,808			18,176	599,808
피스 제작	H-300×200	16	개소	8,128	130,048	22,687	362,992	902		31,717	493,040
피스 해체		16	개소			2,824	45,184			2,824	45,184
버팀보 6개월(손율30%)	H-300×300	669	M	12,604	8,432,076					12,604	8,432,076
띠장 6개월(손율30%)	H-300×300	124	M	12,604	1,562,896					12,604	1,562,896

② 스크류잭을 이용하여 버팀대를 8단으로 시공시 스크류잭의 자재비

28개/단×8단×60,000원/개×20%(손율 6개월) = 2,688,000원

③ 선행하중잭을 이용하여 버팀대를 7단으로 시공시 선행하중잭의 자재비

28개/단×7단×330,000원/개×35%((손율 6개월) = 22,638,000원

표 15.  선행하중잭 손율표 (건설연구원(1999))

기간 구분	6개월	9개월	12개월	18개월	24개월	30개월	36개월
손율(%)	35	44	53	69	83	93	100

3) 굴착 단계별 계측결과 분석

본 현장의 경우, 버팀대의 교차부가 5개소이므로 교차부의 마찰에 의한 손실량은 2.5톤/개소×5개소에 의해 12.5톤이며, 이 손실량을 고려하여 현장에서 작용시킨 초기선행하중량은 표 16과 같다.

표 16.  역삼동 ○○현장의 선행하중량

단 수 항 목	1단	2단	3단	4단	5단	6단	7단
설 계 하 중 (tf/2열)	25	59	132	94	77	157	113
유효 선행하중 (tf/2열)	27.5	47.5	67.5	67.5	67.5	67.5	47.5
초기 선행하중 (tf/2열)	40	60	80	80	80	80	60
유효 선행하중/설계하중 (%)	110	81	51	72	88	43	42

지하 15.6m까지 굴착되었을 때, 벽체의 최대수평변위는 표 17에 나타난 바와 같이 굴착깊이의 0.05%～0.13%에 해당하는 7.53mm～20.22mm가 발생하였으며, 사무실과 도로 측보다는 편의점과 우체국 측에서 더 큰 변위가 발생하였다.  이것은 버팀대가 사무실-도로 방향으로 먼저 설치되고, 그 뒤에 편의점-우체국 방향으로 설치되면서 편의점과 우체국 측의 벽체가 무지보 상태로 장시간 방치된 결과로 판단된다.

평면 상에서 변위발생 추이를 보면 수평변위는 4개소 모두 현장 내측을 향하고 있다.  그리고 굴착 완료시의 최대수평변위는 굴착깊이의 0.04～0.09%에 해당하는 9.53mm～20.49mm였다.  전체적으로 볼 때, 기존보다 버팀대의 수직간격을 다소 증가시켰음에도 불구하고, 벽체의 최대수평변위가 굴착깊이의 0.1% 미만으로, 선행하중을 작용시키지 않은 유사 현장의 일반적인 값인 굴착깊이의 0.2～0.5%보다 상당히 작았다.

표 17.  각 경사계 위치에서 굴착단계별 벽체의 최대수평변위(단위 : mm)

경사계 번 호	15.6m 굴착시	굴착완료시 (23.0m 굴착)	굴착완료시 굴착깊이에 대한 최대수평변위 비율
①	20.22	20.19	0.09%
②	8.22	12.14	0.06%
③	17.76	20.49	0.09%
④	7.53	9.53	0.04%

그림 44.  각 경사계 위치에서 굴착단계별 흙막이벽의 수평변위

4) 해석결과와 계측결과 비교

본 현장에서 굴착단계별로 발생한 흙막이벽의 수평변위를 측정한 결과(10m 도로측에 위치한 경사계의 분석값)와 해석 결과를 그림 45에 제시하였다.  이로부터 알 수 있는 바와 같이 측정치와 해석치는 비교적 유사한 결과를 보이고 있다.  예를들어 GL(-)20.0m 굴착 단계에서 흙막이벽 최대수평변위의 측정값은 GL(-)16.0m 위치에서 11.62mm였으며, 해석치는 GL(-)16.6m 위치에서 8.85mm였다.

그림 45.  역삼동 ○○ 현장의 굴착단계별 흙막이벽의 수평변위 비교

7.2 양평동 ○○현장

1) 설계시 선행하중 효과 비교

본 현장의 지반조건은 그림 46에 나타난 바와 같이 상부로부터 실트질 모래, 모래질 자갈, 풍화암 및 연암의 순으로 분포되어 있으며, 지하수위는 평균적으로 지표면 아래 10m에 위치하고 있다.  현장의 주변상황으로 현장의 좌우측에 LPG저장소와 인쇄소가 근접하여 위치하고, 정면으로는 25m 도로가, 뒤로는 안양천의 유수지가 지표면보다 1.5m 이상 낮게 위치하고 있는 곳이다.  굴착면적은 76m×38m이며, 굴착깊이는 22.05m이다.

그림 46.  양평동 ○○현장의 지반조건 및 버팀대 배치도

원 설계안은 스크류잭을 이용한 버팀대공법을 적용하고, 벽체는 800mm 두께의 철근콘크리트 지중연속벽, 버팀대 및 띠장의 제원은 H-300×300×10×15, 버팀대는 2열, 버팀대를 연직방향 7단으로 하는 것이었다.  그러나, 굴착현장 주위에 위치한 LPG저장소와 인쇄소의 변위 발생을 최대한 억제하기 위하여 버팀대 선행하중공법을 적용하고, 원 설계 시보다 경제적으로 시공하기 위하여 버팀대(2H-300×300×10×15, C.T.C 4.0m)를 6단으로 축소하는 것으로 설계를 변경하였다.  원 설계안과 선행하중법을 적용하는 안에 대하여 탄소성해석을 행하여 표 18과 같은 결과를 얻었다.

그림 47.  양평동 ○○현장의 설계항목별 해석결과 비교

표 18에 의하면 버팀대의 수직단수를 6단(평균수직간격 3.5m)으로 하고, 스크류잭을 이용할 경우에는 벽체의 휨모멘트가 설계기준를 넘기 때문에 8단 정도로 하여야 하나, 버팀대의 수직단수를 6단으로 하고, 선행하중을 설계하중의 50%～70% 작용시키면, 설계기준을 모두 만족시키기 때문에 6단으로 가능하게 됨을 알 수 있다.

표 18.  양평동 ○○현장의 해석 결과             ( )는 설계기준에 대한 정규화 수치

항 목		버팀대	흙막이 벽체		변위 (mm)
버팀대 단수	선행하중의 유 무	축력(tf/1열)	모멘트 (tf‧m/m)	전단력(tf/m)
6단	스크류잭	91.5 (0.76)	90.3 (1.15)	42.0 (0.96)	23.6
7단	스크류잭	74.5 (0.62)	81.3 (1.04)	37.2 (0.85)	21.1
6단	선행하중잭	97.5 (0.79)	75.7 (0.96)	42.6 (0.97)	14.3
설계기준		120.0	78.5 t-m	43.8	-

2) 경제성 분석

(1) 설계 변경 내용 및 공사비 증감 내역

항 목	변경 전	변경 후	비 고
시 공 방 법	스크류잭	선행하중잭
버팀대 수직단수	7단	6단
버팀대 평균수평간격	4.0m	4.0m	2열 버팀대
버팀대 평균수직간격	2.9m	3.5m
공 사 비	-	6천만원 절감	공사기간 단축에 의한 공사비 절감은 제외
공사기간	-	20일 단축

(2) 공사비 증감 내역

버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 ①    :  99,588,332원 (↓)

스크류잭 자재비 ②                     :   5,376,000원 (↓)

선행하중장치 자재비 ③                 :  44,352,000원 (↑)

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

∴ 공사비 절감액                     :  60,612,332원 (↓)

① 버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 상세 내역

(단위 : 원)

공 종 명	규 격	수량	단위	재 료 비		노 무 비		경 비		합 계
				단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액
버팀대/띠장 1단 시공시 공사비		1	식		30,543,062		59,615,296		9,252074		99,588,332
버팀보설치(3-5M)	H-300×300	18	본	3,138	56,484	44,404	799,272	20,123	362,214	67,665	1,217,970
버팀보철거(3-5M)		18	본	2,519	45,342	32,139	578,502	16,155	290,790	50,813	914,634
버팀보설치(6-8M)	H-300×300	44	본	3,675	161,700	52,007	2,288,308	23,569	1,037,036	79,251	3,487,044
버팀보철거(6-8M)		44	본	2,737	120,428	34,927	1,536,788	17,557	772,508	55,221	2,429,724
버팀보설치(9-11M)	H-300×300	16	본	3,945	63,120	55,831	893,296	25,302	404,832	85,078	1,361,248
버팀보철거(9-11M)		16	본	2,981	47,696	38,031	608,496	19,117	305,872	60,129	962,064
버팀보설치(12-14M)	H-300×300	84	본	4,748	398,832	67,196	5,644,464	30,453	2,558,052	102,397	8,601,348
버팀보철거(12-14M)		84	본	3,292	276,528	41,997	3,527,748	21,111	1,773,324	66,400	5,577,600
사보강연결재 설치	H-300×200	36	개소	13,226	476,136	46,815	1,685,340	721	25,956	60,762	2,187,432
사보강연결재 철거		36	개소			32,770	1,179,720			32,770	1,179,720
버팀보 제작	H-300×300	122	개소	7,613	928,786	19,183	2,340,326	904	110,288	27,700	3,379,400
버팀보 연결	H-300×300	99	개소	16,052	1,589,148	76,436	7,567,164	20	1,980	92,508	9,158,292
버팀보 연결부 해체		99	개소			24,696	2,444,904			24,696	2,444,904
띠장 설치	H-300×300	212	M	394	83,528	5,583	1,183,596	2,530	536,360	8,507	1,803,484
띠장 철거		212	M	298	63,176	3,803	806,236	1,911	405,132	6,012	1,274,544
띠장 연결	H-300×300	12	개소	13,261	159,132	11,697	140,364	984	11,808	25,942	311,304
띠장 연결 해체		12	개소	870	10,440	7,534	90,408	676	8,112	9,080	108,960
띠장우각부 연결	H-300×300	4	개소	6,901	27,604	25,914	103,656	536	2,144	33,351	311,304
띠장우각부 연결 해체		4	개소			2,824	11,296			2,824	11,296
띠장받침 설치	앵글	102	개소	193	19,686	3,905	398,310	1,195	121,890	5,293	539,886
띠장받침 철거		102	개소	134	13,668	2,207	225,114	172	17,544	2,513	256,326
띠장스티프너 설치		300	개소	4,819	1,445,700	8,171	2,451,300	698	209,400	13,688	4,106,400
H-1TYPE 설치	버팀보 보강	212	개소	1,121	237,652	16,264	3,447,968			17,385	3,685,620
H-1TYPE 철거		212	개소			2,824	598,688			2,824	598,688
L형강 설치	L-100×100×10	736	M	1,048	771,328	4,999	3,679,264	202	148,672	6,249	4,599,264
L형강 철거	L-100×100×10	736	M	30	22,080	4,315	3,175,840	140	103,040	4,485	3,300,960
U-BOLT 설치	E1-TYPE	160	개소	2,192	350,720	9,968	1,594,880	282	45,120	12,442	1,990,720
U-BOLT 철거		160	개소			2,824	451,840			2,824	451,840
피스브라켓 제작	H-300×200	80	개소	9,200	736,000	38,741	3,099,280	1,052		48,993	3,835,280
피스브라켓 설치		80	개소	2,881	230,480	54,804	4,384,320			57,685	4,614,800
피스브라켓 철거		80	개소			18,176	1,454,080			18,176	1,454,080
피스 제작	H-300×200	48	개소	8,128	390,144	22,687	1,088,976	902		31,717	1,479,120
피스 해체		48	개소			2,824	135,552			2,824	135,552
버팀보 6개월(손율30%)	H-300×300	1,519	M	12,604	19,145,476					12,604	19,145,476
띠장 6개월(손율30%)	H-300×300	212	M	12,604	2,672,048					12,604	2,672,048

② 스크류잭을 이용하여 버팀대를 7단으로 시공시 스크류잭의 자재비

64개/단×7단×60,000원/개×20%(손율 6개월) = 5,376,000원

③ 선행하중잭을 이용하여 버팀대를 6단으로 시공시 선행하중잭의 자재비

64개/단×6단×330,000원/개×35%((손율 6개월) = 44,352,000원

3) 굴착 단계별 계측결과 분석

본 현장의 경우, 버팀대의 교차부가 4개소이므로 교차부의 마찰에 의한 손실량은 2.5톤/개소×4개소에 의해 10톤이며, 이 손실량을 고려하여 현장에서 작용시킨 초기 선행하중량은 표 19와 같다.

표 19.  양평동 ○○현장의 초기 선행하중량

단 수 항 목	1단	2단	3단	4단	5단	6단
설 계 하 중 (tf/2열)	37	70	110	151	183	90
유효 선행하중 (tf/2열)	30	50	50	80	90	50
초기 선행하중 (tf/2열)	40	60	60	90	100	60
유효 선행하중/설계하중 (%)	81	71	46	53	49	56

(1) 1～4단(GL-15m) 굴착시

4단 버팀대가 설치되는 지하 15m까지 굴착이 진행되는 동안, 유수지와 도로 측에서는 지표 부근에서의 벽체 수평변위가 각각 9.80mm와 2.74mm 만큼 배면방향으로 발생하였으며, 전체적으로는 변위 발생이 거의 없다는 것을 알 수 있다(그림 48).  유수지 부근에서 배면방향으로 변위가 크게 발생한 것은 유수지의 표고가 현장의 표고보다 1.5m정도 낮았기 때문으로 판단된다.  그리고 LPG저장소와 인쇄소 측에서는 각각 17.29mm와 14.37mm의 변위가 발생하였으며, 유수지와 도로 측에 비해 이처럼 큰 변위가 발생한 것은 버팀대의 설치형태가 다르기 때문으로 생각된다.  즉 유수지와 도로 측은 직선부재로 시공하여 구조적으로 안정할 뿐 아니라 선행하중의 효과도 제대로 발휘된 반면, 인쇄소와 LPG저장소 측은 경사 버팀대로 시공하므로써 구조적으로 안정성이 좋지 못하고, 벽체에 직각인 방향으로 전달되는 선행하중의 크기도 상대적으로 작았기 때문으로 생각된다.

(2) 4～6단(GL-22.05m) 굴착시

4단 버팀대가 설치된 직후 유수지(인접 현장)에서 항타작업이 행해졌으며, 이로부터 1주일만에 유수지측의 변위는 지표면 부근에서 -26.43mm, GL-16m 지점에서 20.13mm으로 증가하였으며, 도

로측에서도 변위가 12.61mm로 증가하였다.  그리고 인쇄소와 LPG저장소 측에서도 굴착면 방향

과 유수지 방향으로도 큰 변위가 발생하였다.  특히 유수지측의 변위가 깊이에 따라 불규칙한 결과를 보이고 있는데, 이러한 현상은 항타에 의해 지반 및 흙막이 구조가 교란되어 변위가 급증했기 때문으로 생각된다.  이것은 이 시점에 현장에서 발생한 변위가 전체적으로 유수지 방향으로 진행되었음을 통해서도 알 수 있다.  이때 인쇄소측에서 발생한 최대변위는 굴착심도의 0.13%에 해당하는 26.93mm였으며, 이 값은 일반적으로 사질토 및 단단한 점성토에서의 버팀굴착시 발생하는 최대수평변위인 굴착깊이의 0.2～0.5%(Cloough & O'Rourke, 1990)에 비하여 비교적 안정된 결과이다.

표 20.  각 경사계 위치에서 굴착단계별 벽체의 최대수평변위(단위 : mm)

경사계 번호	4단 굴착시	항타작업후	굴착완료시	해체시 변위	굴착완료시 굴착깊이에 대한 최대수평변위 비율
①번	-9.80	-26.43	-55.85	-67.35	0.25%
②번	17.29	26.93	29.29	30.85	0.13%
③번	-2.74	12.61	19.05	23.96	0.09%
④번	14.37	23.94	33.51	37.90	0.15%

그림 48.  각 경사계 위치에서 굴착단계별 흙막이벽의 수평변위

굴착이 완료된 상태에서 유수지측의 변위는 지표면 부근에서 -55.85mm이고, GL-20.5m 지점에서 50.57mm였으며, 도로측의 최대수평변위는 19.05mm였다.  그리고 인쇄소와 LPG저장소 측에서는 각각 33.51mm와 29.29mm의 최대변위를 보였다.  버팀대의 연직 간격을 증가시키고, 항타로 인한 악영향이 있었음에도 불구하고, 굴착면 방향으로 발생한 최대수평변위가 유수지측의 경우 50.57mm였으며, 이 값은 굴착깊이의 0.23%에 해당하는 값으로 버팀대에 선행하중을 도입하지 않은 일반현장의 경우와 비슷한 값을 보였다.  한편 도로측, 인쇄소측, LPG저장소측은 각각 최대수

평변위가 굴토 깊이의 0.08%, 0.15%, 0.13%로 일반적으로 사질토에서 측정되어 온 값보다 훨씬 작았다.

(3) 가시설 해체시

해체시의 변위 발생추이는 굴착완료시와 비교하여 크게 차이가 없는 편이었다.  선행하중을 작용하였기 때문에 버팀대 해체시 변위가 크게 증가하지 않을까 하는 우려가 있었으나, 유수지 방향의 경우에만 항타작업의 영향으로 배면으로 11.5mm의 추가 수평변위가 발생하였고, LPG저장소측이 1.56mm, 25m 도로측이 4.91mm, 인쇄소측이 4.39mm의 작은 양의 변위가 추가로 발생하였다.  따라서 적절한 선행하중을 적용하는 경우, 해체시 급격한 변위의 증가는 없는 것을 알 수 있다.  최종 결과를 참고로 할 때, 항타작업이 없었더라면 작은 수평변위만을 허용하면서 공사를 마무리 할 수 있었을 것으로 추측되며, 항타작업이 있었음에도 선행하중잭을 사용함으로써 버팀대의 수직간격이 좁은 일반적인 유사 현장의 결과와 비슷한 결과를 얻을 수 있었다.

4) 해석결과와 계측결과 비교

본 현장에서 굴착단계별로 발생한 흙막이벽의 수평변위를 측정한 결과(인쇄소 부근에 위치한 경사계의 분석값)와 해석 결과를 그림 49에 제시하였다.  인쇄소 위치의 경사계의 측정결과와 해석결과를 비교한 이유는 항타에 의한 영향을 배제시키기 위한 것으로, 이 위치의 경사계가 다른쪽 경사계의 위치보다 항타에 의한 영향을 적게 받았기 때문이다.  그림 49로부터 알 수 있는 바와 같이 측정치와 해석치는 비교적 유사한 결과를 보이고 있다.  예를들어 GL(-)22.05m 굴착 단계에서 흙막이벽 최대수평변위의 측정값은 GL(-)18.5m 위치에서 33.51mm였으며, 해석치는 GL(-)20.0m 위치에서 24.82mm의 값을 보이고 있다.

그림 49.  양평동 ○○ 현장의 굴착단계별 흙막이벽의 수평변위 비교

7.3 ○○지하철 △△현장

1) 설계시 선행하중 효과 비교

본 현장의 지반조건은 상부로부터 매립토, 풍화토, 풍화암 및 연암의 순으로 분포되어 있다.  굴착폭 31.1m의 정거장과 굴착폭 12.4m의 본선 구간으로 굴착깊이는 17.3m이다.  흙막이벽은 H-Pile + 토류판으로 엄지말뚝의 제원은 H-250×255×14×14이며 2m 간격으로 설치된다.  버팀대 및 띠장은 H-300×305×15×15를 이용하였다.  스크류잭을 이용하는 방안과 선행하중잭을 이용하는 방안에 대하여 탄소성해석을 한 결과 그림 50과 같은 결과를 얻었다.

해석결과에 의하면 버팀대의 수직단수를 5단으로 하고, 스크류잭을 이용할 경우에는 벽체의 휨모멘트가 설계기준를 넘기 때문에 6단으로 하여야 하나, 버팀대의 수직단수를 5단으로 하고, 선행하중을 설계축력의 40～60% 작용시키면 설계기준을 모두 만족시키기 때문에 5단으로 가능하게 된다.

표 21.  ○○ 지하철의 해석 결과             ( )는 설계기준에 대한 정규화 수치

항 목		버팀대	흙막이 벽체		변위 (mm)
버팀대 단수	선행하중의 유 무	축력(tf/1열)	모멘트 (tf‧m/m)	전단력(tf/m)
5단	스크류잭	44.5(0.33)	8.5(1.1)	10.7(0.57)	26.9
6단	스크류잭	39.1(0.29)	7.7 (0.99)	9.9(0.53)	22.5
5단	선행하중잭	44.5 (0.33)	6.8(0.87)	11.2(0.60)	13.1
설계기준		137.0	7.8	18.7	-

그림 50.  ○○ 지하철의 설계항목별 해석결과 비교

2) 연장 200m 정거장에 대한 경제성 분석

(1) 설계 변경 내용 및 공사비 증감 내역

항 목	변경 전	변경 후	비 고
시 공 방 법	스크류잭	선행하중잭
버팀대 수직단수	6단	5단	복공/록앵커 1단 제외
버팀대 평균수평간격	2.5m	2.5m	1열 버팀대
버팀대 평균수직간격	2.1m	2.7m
공사비(연장 200m 기준)	-	1억2천만원 절감	공사기간 단축에 의한 공사비 절감은 제외

(2) 공사비 증감 내역 (연장 200m 기준)

버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 ②    :  177,961,360원 (↓)

스크류잭 자재비 ③                     :   10,944,000원 (↓)

선행하중잭 자재비 ④                   :   69,960,000원 (↑)

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∴ 공사비 절감액                     :  118,945,360원 (↓)

① 버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 상세 내역

(단위 : 천원)

공 종 명	규 격	수량	단위	재 료 비		노 무 비		경 비		합 계
				단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액
가시설 공사비 검토	L＝2.5M	1	식		1,009,445		1,010,556		204,516		2,224,517
버팀보설치(3-5M)	H-298×299	1	본	3,138	3,138	44,404	44,404	20,123	20,123	67,665	67,665
버팀보철거(3-5M)		1	본	2,519	2,519	32,139	32,139	16,155	16,155	50,813	50,813
버팀보설치(9-11M)	H-298×299	1	본	3,945	3,945	55,831	55,831	25,302	25,302	85,078	85,078
버팀보철거(9-11M)		1	본	2,981	2,981	38,031	38,031	19,117	19,117	60,129	60,129
버팀보설치(12-14M)	H-298×299	1	본	4,748	4,748	67,196	67,196	30,453	30,453	102,397	102,397
버팀보철거(12-14M)		1	본	3,292	3,292	41,997	41,997	21,111	21,111	66,400	66,400
버팀보 제작	H-298×299	3	개소	7,613	22,839	19,183	57,549	904	2,712	27,700	83,100
띠장 설치	H-298×299	5	M	394	1,970	5,583	27,915	2,530	12,650	8,507	42,535
띠장 철거		5	M	298	1,490	3,803	19,015	1,911	9,555	6,012	30,060
띠장 연결	H-298×299	0.5	개소	13,261	6,630	11,697	5,848	984	492	25,942	12,970
띠장연결 해체		0.5	개소	870	435	7,534	3,767	676	338	9,080	4,540
띠장받침 설치	앵 글	2.5	개소	1,195	2,987	3,905	9,762	193	482	5,293	13,231
띠장받침 철거		2.5	개소	172	430	2,207	5,517	134	335	2,513	6,282
H-2TYPE 설치	버팀보보강	10	개소	1,121	11,210	16,264	162,640			17,385	173,850
H-2TYPE 철거		10	개소			2,824	28,240			2,824	28,240

(계속)

공 종 명	규 격	수량	단위	재 료 비		노 무 비		경 비		합 계
				단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액
U볼트설치	E1-TYPE	3	개소	5,894	17,682	9,968	29,904	785	2,355	16,647	49,941
U볼트 철거		3	개소			2,824	8,472			2,824	8,472
F-1TYPE 설치		3	개소	1,748	5,244	24,978	74,934			26,726	80,178
F-1TYPE 철거		3	개소			4,236	12,708			4,236	12,708
ㄷ형강설치		7.5	M	17,193	128,947	3,505	2,443	2,443	18,322	23,141	149,712
ㄷ형강철거		7.5	M	284	2,130	2,228	16,710	1,823	13,672	4,335	32,512
L형강설치	L-90×90	25.0	M	3,763	94,075	4,999	124,975	202	5,050	8,964	224,100
L형강철거	L-90×90	25.0	M	30	750	4,315	107,875	140	3,500	4,485	112,125
띠장스티프너 설치	270×145×14	4	개소	4,819	19,276	8,171	32,684	698	2,792	13,688	54,752
버팀보12개월(손율50%)	H-298×299	29.60	M	19,443	575,512					19,443	575,512
띠장12개월(손율50%)	H-298×299	5	M	19,443	97,215					19,443	97,215

② 버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 (200m 기준)

2,224,517원/2.5m × 200m  = 177,961,360원

③ 스크류잭을 이용하여 버팀대를 6단으로 시공시 스크류잭의 자재비 (200m 기준)

6개/2.5m × 200m × 60,000원/개 × 38%(12개월 손율) = 10,944,000원

④ 선행하중잭을 이용하여 버팀대를 5단으로 시공시 선행하중잭의 자재비 (200m 기준)

5개/2.5m × 200m × 330,000원/개 × 53%(12개월 손율) = 69,960,000원

3) 연장 1km 본선에 대한 경제성 분석

(1) 설계 변경 내용 및 공사비 증감 내역

항 목	변경 전	변경 후	비 고
시 공 방 법	스크류잭	선행하중잭
버팀대 수직단수	6단	5단	복공/록앵커 1단 제외
버팀대 평균수평간격	2.5m	2.5m	1열 버팀대
버팀대 평균수직간격	2.1m	2.7m
공사비(연장 1km 기준)	-	1억2천만원 절감	공사기간 단축에 의한 공사비 절감은 제외

(2) 공사비 증감 내역 (연장 1km 본선 기준)

버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 ②    :  318,222,800원 (↓)

스크류잭 자재비 ③                     :   28,800,000원 (↓)

선행하중잭 자재비 ④                   :  231,000,000원 (↑)

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∴ 공사비 절감액                     :  116,022,800원 (↓)

① 버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 상세 내역

(단위 : 천원)

공 종 명	규 격	수량	단위	재 료 비		노 무 비		경 비		합 계
				단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액	단 가	금 액
가시설 공사비 검토	L＝2.5M	1	식		268,865		440,524		86,168		795,557
버팀보설치(9-11M)	H-298×299	1	본	3,945	3,945	55,831	55,831	25,302	25,302	85,078	85,078
버팀보철거(9-11M)		1	본	2,981	2,981	38,031	38,031	19,117	19,117	60,129	60,129
버팀보 제작	H-298×299	1	개소	7,613	7,613	19,183	19,183	904	904	27,700	27,700
띠장 설치	H-298×299	5	M	394	1,970	5,583	27,915	2,530	12,650.	8,507	42,535
띠장 철거		5	M	298	1,490	3,803	19,015	1,911	9,555	6,012	30,060
띠장 연결	H-298×299	0.5	개소	13,261	6,630	11,697	5,848	984	492	25,942	12,970
띠장연결 해체		0.5	개소	870	435	7,534	3,767	676	338	9,080	4,540
띠장받침 설치	앵 글	2.5	개소	800	2,000	6,297	15,742	154	385	7,251	18,127
띠장받침 철거		2.5	개소	138	345	1,199	2,997	107	267	1,444	3,609
H-2TYPE 설치	버팀보보강	4	개소	1,121	4,484	16,264	65,056			17,385	69,540
H-2TYPE 철거		4	개소			2,824	11,296			2,824	11,296
U볼트설치	E1-TYPE	1	개소	2,192	2,192	9,968	9,968	282	282	12,442	12,442
U볼트 철거		1	개소			2,824	2,824			2,824	2,824
F-1TYPE 설치		1	개소	1,748	1,748	24,978	24,978			26,726	26,726
F-1TYPE 철거		1	개소			4,236	4,236			4,236	4,236
ㄷ형강설치		2.5	M	6,384	15,960	3,505	2,443	2,443	6,107	12,332	24,510
ㄷ형강철거		2.5	M	284	710	2,228	5,570	1,823	4,557	4,335	10,837
L형강설치	L-90×90	10.0	M	1,048	10,480	4,999	49,990	202	2,020	6,249	62,490
L형강철거	L-90×90	10.0	M	30	300	4,315	43,150	140	1,400	4,485	44,850
띠장스티프너 설치	270×145×14	4	개소	4,819	19,276	8,171	32,684	698	2,792	13,688	54,752
버팀보6개월(손율30%)	H-298×299	10.97	M	11,666	127,976					11,666	127,976
띠장6개월(손율30%)	H-298×299	5	M	11,666	58,330					11,666	58,330

② 버팀대 및 띠장 1단 시공시 공사비 (1km 기준)

795,557원/2.5m × 1000m  = 318,222,800원

③ 스크류잭을 이용하여 버팀대를 6단으로 시공시 스크류잭의 자재비 (1km 기준)

6개/2.5m × 1000m × 60,000원/개 × 20%(6개월 손율) = 28,800,000원

④ 선행하중잭을 이용하여 버팀대를 5단으로 시공시 선행하중잭의 자재비 (1km 기준)

5개/2.5m × 1000m × 330,000원/개 × 35%(6개월 손율) = 231,000,000원

7.4 시공사례 분석 결과

1) 선행하중공법의 변위억제 효과

본 공법을 이용하여 시공한 공사현장 중, 앞 장의 2개소의 현장 외에 서울소재의 1개소를 추가하여, 총 3현장에 대하여 굴착깊이에 따른 흙막이벽의 수평변위를 분석하였으며, 그 결과를 그림 51에 제시하였다.  분석결과에 의하면, 3개 현장의 굴착깊이에 따른 최대수평변위의 평균값은 0.1%로써, 사질토 및 단단한 점성토에서 발생하는 최대수평변위의 평균값인 0.2%(Clough & O'Rourke, 1990)보다 작았으며, 또한 상한값은 0.2%로써 Clough와 O'Rourke(1990)가 제시한 0.5%보다 매우 작았다.  따라서 굴착공사시 버팀대 선행하중공법을 적용하면, 흙막이벽의 변위 억제는 물론 변위발생으로 인한 주변 건물의 침하발생을 방지할 수 있으므로 근접․대심도 굴착공정을 안정적으로 수행할 수 있음을 알 수 있다.

그림 51.  선행하중 작용시 굴착단계별 흙막이벽의 최대수평변위

2) 선행하중공법의 경제성

버팀대 선행하중공법의 효과는 주변지반의 침하를 최대한 억제시킬 수 있다는 것 이외에도 버팀대의 유효강성의 증가와 벽체의 휨응력을 감소시키는 등의 효과가 있다.  따라서 기존 버팀대 굴착공법보다 버팀대의 설치간격을 넓게 할 수 있으므로 지보재의 사용량 감소로 인한 공사비 절감과 함께 작업성 향상으로 인한 공사기간을 단축할 수 있게 된다.

이에 관한 사례는 앞 절에 제시하였으므로, 본 절에서는 선행하중의 효과에 의해 버팀대의 수직단수를 1단 줄일 수 있는 현장의 경우, 현장의 특성(굴착깊이, 굴착면적)에 따른 공사비 절감액을 분석하였다.  그림 52는 선행하중을 작용시킴에 의해 버팀대의 수직단수를 1단 줄일 수 있는 건축현장에서 굴착면적 및 굴착깊이에 따른 공사비 절감액을 나타낸 것이다.

앞절의 양평동 ○○현장(굴착면적 76m×38m)의 경우, 버팀대에 선행하중을 작용시킴으로써 버팀대의 수직단수를 7단에서 6단으로 변경할 수 있었으며, 그에 따른 공사비 절감액이 6천만원 정도였다.  굴착깊이가 달라지면 버팀대의 단수가 달라지며, 각 경우에 대하여 버팀대의 수직단수를 1단 줄이면서 선행하중을 작용시킬 때, 공사비 절감액은 그림 52-(a)에 제시한 것과 같다.  또한 역삼동 ○○현장(굴착면적 31m×33m)의 경우에 대해서도 절감 가능한 공사비를 그림 52-(b)에 제시하였다.   이에 의하면 굴착면적이 클수록 공사비 절감액은 증가하고, 굴착깊이가 깊은 경우(예, 그림 상의 9단)에도 총공사비는 절감됨을 알 수 있다.

(a) 굴착면적이 76m×38m인 경우                 (b) 굴착면적 31m×33m인 경우

그림 52.  건축현장에서 현장특성에 따른 공사비 절감액

앞 절에 제시한 지하철 현장에서 경제성 분석결과를 근거로 굴착폭이 31.1m인 연장 200m의 정거장과 굴착폭이 12.4m인 연장 1km의 본선에 대하여 공사비 절감액을 그림 53에 나타내었다.

(a) 연장 200m 정거장(굴착폭 31m)의 경우        (b) 연장 1km 본선(굴착폭 11.4m)의 경우

그림 53.  지하철현장에서 현장특성에 따른 공사비 절감액

따라서 굴착공사시 버팀대 선행하중공법을 적절히 적용한다면, 현재보다 버팀대의 수평 및 연직간격을 넓게 하면서 흙막이 구조물 및 인접지반의 변위감소는 물론 경제성도 향상시킬 수 있을 것이다.

7.5 일본의 사례

본 항에서는 일본의 사례를 정리하여 수록하였다3).  대상현장은 총 4곳이며, 모두 같은 지반조건을 가지고 있는 동일 지역에 위치하고 있다.  각 현장의 시공방법은 다음의 표에 나타난 바와 같으며, 선행하중잭을 이용한 강널말뚝 공법 1개소(A)와 스크류잭을 이용한 강널말뚝 공법(B), 지중연속벽 공법(C), 주열식 벽체 공법(D) 각 1개소로 이루어져 있다.  각 현장의 지반은 지표에서 약 40m까지 매우 연약한 실트층(점착력 5tf/m2, 내부마찰각 10。 )으로 구성되어 있으며, 굴착공사시 주변의 철도구조물이나 도로, 가옥에 균열이 발생하고 있는 상황이었다.

굴착심도가 10m 일때, 흙막이벽의 거동을 나타낸 그림 54와 표 22를 살펴보면, 선행하중을 재하한 A현장이 스크류잭을 이용한 B현장보다 버팀대의 간격이 더 큼에도 불구하고, A현장의 휨변위가 B현장보다 더 작은 결과를 나타냄을 알 수 있다.  그리고 스크류잭을 이용한 B, C, D 현장의 경우, 흙막이벽의 강성이 클수록(B→D) 휨변위량이 작아진다는 일반적인 결과를 알 수 있다.  또한 A현장과 C, D현장의 계측결과를 비교해 보면, 흙막이벽의 강성이 작더라도 버팀대에 선행하중를 재하한 A현장의 휨변위가 벽체의 강성이 큰 C, D현장의 휨변위보다 작아짐을 알 수 있다.

현장별로 흙막이 구조물의 강성과 능률을 비교 분석하여 표 12에 나타내었다.  흙막이 구조물의 강성은 벽체의 강성([eqn: EI`])과 버팀대의 수직간격([eqn: l ~])의 4승에 반비례하는 것으로 하여, [eqn: EI /{l}^{4} }]로 표시하였다.  현장별로 흙막이 구조물의 강성을 비교하면, B현장을 1로 할 경우, A 현장은 B현장보다 버팀대의 간격이 넓기 때문에 0.3배가 되고, C현장 및 D현장은 각각 3.9배와 3.2배이다.  흙막이 구조물의 건설비용은 흙막이 구조물의 강성([eqn: EI /{l}^{4} }])과 흙막이벽의 길이([eqn: L])에 비례한다고 가정하면 A 현장에 비해 B현장은 0.2배, C현장 및 D현장은 각각 4.5배와 5.0배이다.

10m 굴착시점에서 실측한 흙막이벽의 휨으로 인한 이동토량([eqn: V~])을 비교하면, A현장은 B현장의 0.3배, C현장 및 D현장은 각각 0.7배와 1.1배의 흙을 이동시키고 있다.  이동토량([eqn: V~])과 비용비율([eqn: EIL/{{l}^{4} }])이 작을수록 효과적인 시공방법이며, 이를 성능비율로 표시하면, 성능비율(또는 능률)은[eqn: {{l}^{4} }/{EILV }~]와 같다.  따라서 현장별로 흙막이 구조물의 능률을 표시하면, A현장은 B현장의 20.5배, C현장 및 D현장은 각각 0.3배와 0.2배이다.

일본에서 수행한 이러한 현장 적용사례를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

① 흙막이벽의 강성이 동일한 경우, 버팀대 선행하중공법이 스크류잭을 이용하는 것보다 흙막이벽의 변위가 작게 발생하고, 따라서 주변지반의 침하를 줄일 수 있다.

② 흙막이벽의 강성이 작은 경우에도 버팀대 선행하중공법을 적용하면, 강성이 큰 벽체에 스크류잭을 이용한 경우보다 변위를 더 감소시킬 수 있다.

그림 54  굴착공법에 따른 흙막이벽의 변위비교 (토목기술 1995)

표 12.  흙막이 구조물의 공법별 특성비교 (토목기술 1995)

현 장 명 항 목		A	B	C	D
흙막이벽	흙막이벽의 종류 흙막이벽의 길이[eqn: L](m) 시공방법 강성[eqn: EI`] (kg․cm2/m)	강널말뚝 16.0 선행하중장치 3.02×1010	강널말뚝 16.0 스크류잭 3.02×1010	RC 지중연속벽 29.0, 40.0 혼합 스크류잭 10.8×1010	강관말뚝(φ1200) 40.0 스크류잭 19.5×1010
버팀대	버팀대의 단수 최종굴착깊이(m) 수직간격[eqn: l ~](cm) [eqn: { l}^{4 }] (cm4)	0단 : 300H 1,2,3단 : 350H 10.7 267 50.8×108	1,2,6단 : 300H 3,4,5단 : 350H 14.0 201 16.3×108	1,3,5단 : RC 2,4단 : 350H 21.0 350 150.1×108	1,2,3단 : 400H 4단 : RC 17.0 425 326.3×108
10m 굴착시 계측치	최대휨변위(cm) 최대휨변위발생심도(m) 이동토량[eqn: V~](m3/m)	3.2 13.0 0.64 (0.3)	20.0 11.0 2.54 (1.0)	8.9 12.0 1.80 (0.7)	10.0 16.5 2.80 (1.1)
강성 과 비용	[eqn: {EI } over {{l}^{4} }], 강성비율 [eqn: {EIL } over {{l}^{4} }], 비용비율	5.9 (0.3) 95 (0.2)	18.5 (1.0) 481 (1.0)	72.0 (3.9) 2,160 (4.5)	59.8 (3.2) 2,391 (5.0)
능률	[eqn: {{l}^{4} } over {EILV }], 능률비율	164.0×10-4 (20.5)	8.0×10-4 (1.0)	2.6×10-4 (0.3)	1.5×10-4 (0.2)

(   ) 값은 B 현장을 기준값으로 할 때의 비율이다.

8. 참고문헌

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