1. 서 론
2. 지반침하 사고
3. 도로침하 구간 지반조사 및 설계지반정수 산정
3.1 물리탐사
3.2 도로 침하에 따른 지반이완 영역대 선정
3.3 도로침하에 의한 지반이완 영역대 설계 지반정수 산정
3.4 도로 지반 보강전의 안전성 평가
3.5 지반보강방안수립
3.6 보강공법선정에 따른 흙막이 및 지반안정성검토
4. 결 론
1. 서 론
2019년 12월, 경기도 고양시 일원에서 굴착공사를 진행하던 중 인근 도로에서 지반침하가 발생하였다. 이에 관련 지자체를 중심으로 지반침하 사고를 대처하기 위하여 단기 대책, 장기 대책 등을 선정하였다. 본 고에서는 slurry wall 배면 도로의 침하 발생한 현장에 대하여 시추조사, 물리탐사 등을 통하여 도로 하부의 지반이완 영역 분석방법을 제시하고, 지반침하에 따른 지반정수의 변화를 산정하여 해석적 검증을 통한 보강방안을 제시하였다. 본 연구를 통하여 지반침하가 발생할 경우, 지반의 이완영역 분석 방법과 지반보강 효과 검증을 연구하여 제시하고자 한다.
2. 지반침하 사고
해당 공사는 도심지 구간으로서 주변 현황(인접도로, 인접건물 및 지하철)을 고려하여 강성벽체인 지하연속벽(slurry wall)을 적용하였으며, 작업공간이 확보되고 안정성이 우수한 건축 슬래브지지 공법을 적용한 현장이었다.
지반침하 사고는 2019년 12월에 지하연속벽의 지하 15m지점, 지하연속벽체 접속부로 지하수와 함께 토사가 유입되어 인접 도로의 침하가 발생하였으며, 이 사고로 인하여 배면지반에 길이 28.0m, 폭 34.0m, 깊이 0.5~5.0m가량의 도로가 침하되었다. Fig. 1은 지반침하 사고가 발생한 구간의 단면도를 보여준다. 지하에 매설된 관들의 위치와 규격 및 지하 터파기 깊이와 지층의 구성 현황을 간략히 볼 수 있다.
3. 도로침하 구간 지반조사 및 설계지반정수 산정
도로침하가 발생한 현장에서 응급복구가 수행되었으며, 복구 구간의 지반 상태를 파악하기 위해 지반조사를 수행하였다. 지반조사로는 시추조사 총 4공과 탄성파토모그래피, 전기비저항 탐사를 시행하였다. Fig. 2는 평면도 상에서 지하연속벽의 위치를 보여주며, 시추조사공 4곳, 전기비저항탐사 측선과 탄성파토모그래피 6단면의 위치를 보여준다.
1) 시추조사
시추조사는 기 지반침하가 발생된 지층 내에서 실시하였으며, Table 1은 지층구성을 제시한다. 조사 결과 상부로부터 매립층, 퇴적층, 풍화암층, 연암층으로 구성되어 있었다. 특히 퇴적층에서는 실트, 모래, 자갈 층이 조사되었으며, 일부 점토층도 섞인 상태이다.
Table 1.
Results of ground boring investigation
2) 도로침하 전후 지층의 구성
Table 2는 도로침하 전후의 지층분포를 비교해 보여준다. 도로침하 부분에 응급복구로 되메우기한 부분에 매립층의 심도는 깊어졌으며 퇴적층(실트)층은 현장으로 유입되어 층후가 감소한 것을 확인할 수 있다.
Table 2.
Stratum distribution before and after road subsidence
3.1 물리탐사
1) 전기비저항탐사
도로침하 이후와 설계시 지반상태의 변화양상을 확인하고, 추후 보강영역 선정을 위해 전기비저항 탐사를 8측선 총 665m에 걸쳐 수행하였다. 탐사결과 전구간에서 저비저항 이상대가 확인되었으며, 본 고에서는 그 중 일부만을 제시하였다.
전기비저항탐사 결과, 대부분의 침하가 발생한 구간에서 넓은 범위의 저비저항 이상대가 분포하는 것으로 확인되었다. 또한 탐사결과에는 나타나지 않지만 시공중인 건물에 인접하여 대부분 저비저항 이상대가 나타날 것으로 예상되며, 도로를 지나 인접 공원 저비저항 이상대가 나타나 연약대의 영향범위 내에 있는 것으로 판단되었다.
2) 탄성파 토모그래피시험
도로침하 지점의 지반이완에 따른 지층분포를 확인하기 위해 탄성파 토모크래피를 6회 시행하였으며, 본 논문에서는 그 중 일부만을 제시하였다. 탐사구간은 대부분 퇴적층 구간으로 탄성파 속도의 차이가 확연하게 나타나지 않으므로 저속도로 나타나는 연약대 또는 지층이완대를 구분하는데 어려움이 있으나, 부분적으로 주변보다 속도가 느린 저속도 이상대가 나타났다.
3.2 도로 침하에 따른 지반이완 영역대 선정
시추조사, 전기비저항탐사 및 탄성파 토모그래피 탐사결과를 종합하여 분석한 결과 지반이완영역 발생구간 및 지층구성을 아래와 같이 선정하였다.
1) 지반이완 영역의 분포를 분석한 결과, 물리탐사(전기비저항탐사, 탄성파 토모그래피) 결과를 통해서 도로침하 위치에서 멀어질수록 지반이완영역대는 감소하는 것으로 나타났다.
2) 지반이완영역은 흙막이벽체에서 인근공원이 만나는 부분까지 선정하였으며 단면에서는 퇴적-자갈층 상부까지 이완된 것을 확인하였다.
이상의 지반 이완 영역대를 확인한 결과, 시추조사의 특성상 한 위치에서의 자료를 확보할 수 있는 반면, 물리탐사는 측선 자료를 확보할 수 있었으며, 이는 상호 보완하는 것이 타당한 것으로 분석되었다. 또한, 시추조사와 더불어 물리탐사를 실시함으로써 지반침하에 따른 지반이완영역대의 평면 상태뿐 아니라 단면 상태를 분석할 수 있었다.
3.3 도로침하에 의한 지반이완 영역대 설계 지반정수 산정
1) 도로침하에 따른 지층변화 및 지층별 N값분석
대상지역 도로침하 전 시추조사 결과와 도로침하 후의 시추조사결과를 비교 분석하였다. 도로침하지점은 GL(-)15m 부근으로 퇴적-모래층 부분에서 지하수와 토사유출이 발생하였으며, 전체적으로 지층구성이 아랫방향으로 처짐과 동시에 사고지점 공사장 방향(오른쪽)으로 이동한 흔적을 확인하였다.
Table 3.
Variation of stratum and SPT-N value before and after ground subsidence
지층 별 표준관입시험(SPT) 결과, 상부의 매립층은 도로침하후가 도로침하전대비 80% 상태의 상대밀도를 보이며, 퇴적층(실트)은 도로 침하 전, 후대비 53.8%의 연경도를 보인다. 그 하부 퇴적층(모래)은 가장 큰 변화를 보이며 도로 침하 전, 후대비 38.1%의 상대밀도를 나타내고 있다. 즉 이러한 결과는 도로침하로 인한 지반강도가 저하됨에 있어 지층입도분포, 지층위치, 층후 등과 밀접한 관계가 있을 것으로 판단되었다.
Table 4.
N value reduction rate due to road subsidence
2) 지반 이완 영역대의 설계지반정수산정
도로침하 후 이완지반의 안전성 평가를 위한 설계지반정수 산정에 있어 현장 시험결과를 최우선적으로 적용하였으며 기존문헌자료, 인접설계사례의 범위(Range)값과 비교, 검토하여 적정성을 확인하고 산정하였다.
Table 5.
Design soil properties of before and after ground subsidence
3) 현장 물리탐사결과를 바탕으로 지반보강 필요구간 선정
시추조사결과, 도로 침하 발생의 영향으로 매립층 심도가 깊어짐을 알 수 있었으며, 전기비저항탐사결과 도로침하가 발생한 구간에서 저비저항 이상대가 분포하는 것을 확인하였으며, 인접공원까지 도로침하에 의한 지층의 이완이 발생한 것이 확인되었다.
3.4 도로 지반 보강전의 안전성 평가
1) 검토 단면 및 해석 모델링
조사결과를 바탕으로 지반 이완영역을 선정하고 이완된 지반강도 정수를 적용하여 수치해석을 실시하였다. Fig. 8은 지반보강이 실시되기 전(지반 이완이 진행된 상태)의 해석 모델을 보여준다.
2) 검토단면 해석결과
Fig. 9는 Fig. 8의 해석모델을 바탕으로 지하 4단 굴착을 시행하였을 경우 가시설 배면에서의 거리에 따른 지반 침하 해석결과를 보여준다. 해석결과로부터 Table 6에 제시된 바와 같이 최대 발생 침하량은 36.07mm로 허용 침하량 25.00mm를 상회하는 것으로 나타났다.
Table 6.
Subsidence analysis result before ground improvement
| Construction stage | Check for Subsidence | ||
| Settlement | Allowable settlement | Result | |
| Step 4 excavation | 36.07mm | 25.00mm | N.G |
도로 침하로 발생한 현상태의 지반 이완 구간은 허용 침하량 이상의 침하량 발생으로 불안정한 상태로 확인된다. 따라서 주변지반과 인접구조물의 안정성 확보를 위한 지반보강이 필요한 것으로 분석되었다.
3.5 지반보강방안수립
1) 지반보강계획수립
평면도 상하수박스 우측은 2.0m간격의 오거 천공의 굴착 치환과 상부구간에 OPEN굴착 치환 공법을 적용하였다. 평면도 상하수박스를 포함하여 좌측구간은 2.0m간격의 오거 천공의 굴착치환에 의한 지반보강을 수행하였다. 또한 우수박스 하부는 침하 및 지지력 확보를 위하여 2.0m 깊이의 잡석치환을 적용하였다. Fig. 10과 Fig. 11은 각각 앞서 기술한 지반보강 평면도 및 단면도를 보여준다.
2) 복합 지반물성 산정
지반의 개량률에 따른 면적비를 이용하여 복합 지반의 평균강도를 산정하여 적용하였다.
① 개량율
② 복합지반변형계수
③ 복합지반점착력
3) 지반보강정수산정
- 실내 배합강도 : qul = 12,000kN/m2
- 설계 기준강도 : quck = 0.5×qul = 6,000kN/m2
- 허용압축응력 : σca = 1/3×α×β×quck = 0.33×0.85×1.0×6,000 = 1,700kN/m2
여기서, 현장강도계수(λ) = 0.5
항만 및 어항설계기준(2005) : 해상공사에서는 λ = 1
연약 지반처리를 위한 심층혼합공법연구(1993) : λ = 1/2(육상공사)~2/3(해상공사)
안전율(Fs) = 3.0, 단면유효계수(α) = 0.85, 신뢰도계수(β) = 1.0 적용
- 허용전단응력 : τa = 0.5×σca = 0.5×1,700 = 850kN/m2
4) 개량율(As)
① C.T.C=1.5m×1.5m, 구근직경 : Φ500mm
② C.T.C=3.0m×3.0m, 구근직경 : Φ500mm
5) 복합지반 변형계수 산정
- 복합지반 변형계수 산정
- 그라우트 변형계수 : Egrout = 8,500√fck
= 22,025,990kN/m2 = 20,000MPa 적용 (fck=설계강도 17.4Mpa 적용)
① C.T.C=1.5m×1.5m
② C.T.C=5.0m×5.0m
6) 복합 지반 점착력 산정
- 복합 지반 점착력 산정
- 그라우트 점착력 : Cgrout = 850kN/m2
① C.T.C=3.0m×3.0m
② C.T.C=5.0m×5.0m
7) 복합 지반 적용 강도정수
오거에 의한 지반굴착후 지반을 치환하여 지반보강을 하면 강도가 증가하고 이에 설계지반 정수가 변화하게 되는데, Table 7은 보강에 의한 복합지반의 설계지반 정수의 변화량을 보여준다.
Table 7.
Ground properties of improved composite ground
3.6 보강공법선정에 따른 흙막이 및 지반안정성검토
1) 검토 단면 및 해석 모델링
지반 이완 구간에 보강공법을 적용하여 증가된 복합지반 물성치를 적용하여 검토를 수행하였다. Fig. 12는 지반치환에 따른 지반보강 효과를 분석하기 위한 해석 모델의 개요를 보여준다. 기본적으로 Fig. 8의 해석모델과 유사하나 보강된 구간의 물성을 Table 7에 따라 적용하여 해석을 수행하였다.
2) 지반안정성 영향분석
Fig. 13은 지반이 보강된 후의 Fig. 12 해석모델을 바탕으로 지하 4단 굴착을 시행하였을 경우 가시설 배면에서의 거리에 따른 지반 침하 해석결과를 보여주고, Table 8은 해석결과를 요약해서 보여준다. 지반이완 영역을 선정 후 보강 공법을 적용하여 수치해석을 수행한 결과 최대침하량 4.90mm로 굴착에 의한 배면 지반의 안정성은 확보되는 것을 확인하였다.
4. 결 론
2019년 12월, 경기도 고양시 일원에서 굴착공사를 진행하던 중 인근 도로에서 지반침하가발생하였다. 이에 본 연구에서는 지하연속벽체(slurry wall) 배면 도로의 침하 발생한 현장에 대하여 시추조사, 물리탐사 등을 통하여 도로 하부의 지반 이완 영역 분석방법을 제시하고, 지반침하에 따른 지반변화를 고려하여 설계지반정수를 재산정하였고, 장기 대책을 위하여 해석적 검증을 통한 보강방안을 제시하였다. 본 연구를 통하여 지반침하가 발생할 경우, 지반의 이완영역 분석 방법과 지반보강 효과 검증을 연구하여 제시하고자 하였다.
(1) 해당 지역은 도심지 구간으로서 주변 현황(인접도로, 인접건물 및 지하철)을 고려하여 강성벽체인 지하연속벽(slurry wall)을 적용하여, 작업공간이 확보되고 안정성이 우수한 건축슬래브 지지공법을 적용한 현장이었다. 지반침하 사고는 2019년 12월 00일에 지하연속벽의 지하 15m지점, 슬러리월 벽체 접속부로 지하수와 함께 토사가 유입되어 인접 도로의 침하가 발생하였으며, 이 사고로 인하여 배면 지반에 길이 28.0m, 폭 34.0m, 깊이 0.5~5.0m 가량의 도로가 침하되었다.
(2) 도로침하의 응급･복구한 구간 및 지반 상태를 파악하기 위해 시추조사 총 4공과 탄성파 토모그래피, 전기비저항 탐사를 시행하였다. 시추조사 결과, 도로 침하 부분에 응급 복구로 되메우기한 부분에 매립층의 심도는 깊어졌으며 퇴적층(실트)층은 현장으로 유입되어 층후가 감소한 것을 확인할 수 있었다. 전기비저항탐사결과, 대부분의 침하가 발생한 구간에서 넓은 범위의 저비저항 이상대가 분포하는 것으로 확인되었다. 탄성파 토모그래피 시험 결과, 대부분의 침하가 발생한 구간에서 넓은 범위의 이상대가 분포하며, 예상 연약대구간 안에 대부분의 이상대가 확인되었다.
즉, 이러한 결과를 통하여 지반 이완 영역의 분포를 분석한 결과, 물리탐사(전기비저항탐사, 탄성파 토모그래피) 결과를 통해서 도로침하 위치에서 멀어질수록 지반이완영역대는 감소하는 것으로 나타났다. 평면상으로는 흙막이 벽체에서 인근 공원이 만나는 부분까지 선정하였으며 단면상으로는 퇴적-자갈층 상부까지 이완된 것을 확인하였다. 지반이완영역을 분석함에 있어 시추조사의 특성상 한 위치의 자료를 확보할 수 있는 반면, 물리탐사는 측선 자료를 확보할 수 있었으며, 이는 상호 보완하는 것이 타당한 것으로 분석되었다. 즉, 시추조사와 더불어 물리탐사를 실시함으로써 지반침하에 따른 지반이완영역대의 평면 상태뿐 아니라 단면 상태를 분석할 수 있었다.
(3) 지층 별 표준관입시험(SPT) 결과, 상부의 매립층은 도로침하 후가 도로침하 전 대비 80% 상태의 상대밀도를 보이며, 퇴적층(실트)은 도로침하 전･후 대비 53.8%의 연경도를 보인다. 그 하부 퇴적층(모래)은 가장 큰 변화를 보이며 도로침하 전･후 대비 38.1%의 상대밀도를 나타내고 있다. 즉 이러한 결과는 도로 침하로 인한 지반강도가 저하됨에 있어 지층 입도 분포, 지층 위치, 층 후 등과 밀접한 관계가 있을 것으로 판단된다.
(4) 지반 이완영역과 저하된 지반정수를 고려하여 보강 전의 지반안정성을 평가하였으며, 평가결과 도로침하로 발생한 현상태의 지반 이완 구간은 허용침하량 이상의 침하량 발생으로 불안정한 상태로 확인된다. 따라서 주변지반과 인접구조물의 안정성 확보를 위한 지반보강이 필요한 것으로 분석되었다.
(5) 지반보강방안을 선정함에 있어 지반이완영역의 범위, 깊이, 지반특성(특히 투수계수가 10-4cm/sec 이하의 점토질 실트층)을 고려하여 일반적인 그라우팅 공법 적용이 불가한 것으로 판단되어, 오거 천공의 굴착치환공법으로 결정하였다. 또한 가장 취약할 수 있는 지하연속벽체 구간에 대해서는 굴착 후 치환공법을 적용하였다.
지반보강 공법의 적용한 후의 수치해석을 수행한 결과, 최대침하량 4.90mm로 굴착에 의한 배면 지반의 안정성은 확보되는 것을 확인하였다.
이상의 연구결과로 아래 3개의 시사점을 확인할 수 있었다.
1) 지반침하는 언제 어디서라도 발생할 수 있으며, 이는 신속하고 적절한 조치가 중요한 것을 알 수 있었다.
2) 시추조사와 물리탐사를 통하여 평면상, 단면상의 지반 이완 영역을 분석할 수 있었으며, 더불어 시추조사 등의 결과를 활용하여 지반침하 이후의 지반정수를 산정할 수 있었다.
3) 지반이완영역의 범위와 더불어 지반침하 후의 지반정수를 통하여 지반안전성을 평가할 수 있으며, 불안전하게 검토되어 보강방안을 제시하였다. 보강 방안은 보강공법의 중심간 거리 등을 고려하여 복합지반정수를 산정하여 지반안전성을 평가하여 안전하고, 신속하게 도로를 복구할 수 있었다.
