| 연구개발개요 |
○ 최근 도심지 굴착공사 과정에서 발생하는 흙막이 붕괴사고로 주변 시설물 및 주민피해가 급격히 증가하고 있으며, 붕과사고의 약 50%가 굴착작업 중 발생(2020년 1월~8월까지 굴착공사 붕괴사고 30건)하여 흙막이 구조에 대한 안전성이 대두되고 있음. - 굴착중 붕괴의 원인은 다양하나, 흙막이 벽체의 수평변위(굴착배면에서의 토압에 의해 발생)가 과다하여 공사장 내측으로의 벽체 붕괴 또는 배면의 지반함몰 및 구조물 침하가 발생하는 사례가 대부분임. - 2018년 지하안전관리에 관한 특별법을 제정하고 10m 이상 굴착공사시 지하안전영향조사를 실시하도록 안전을 강화(2020년)하였으나 굴착깊이 10m 이내인 경우에는 흙막이 구조 강화를 통한 안전성 제고 필요.○ 흙막이 공법은 현장조건(굴착깊이, 공간확보, 지반물성, 지하수위 등)에 따라 그림 4와 같이 엄지말뚝+토류판, 널말뚝(Sheet pile), 주열식 벽체(CIP, SCW 등), 지하연속벽체 등의 벽체형식을 선정하며 지지구조는 그림 5와 같이 가장 기본적인 자립식에 추가적으로 버팀보, 지반앵커, 레이커 등을 보강하여 시공함. - 이 중에서 엄지말뚝 자립식 공법이 가장 저렴할 뿐만 아니라, 굴착속도, 공간확보 측면에서 유리하나 캔틸레버 형태로 토압을 저항하여 수평변위가 크게 발생하므로 3~4m의 얕은 굴착만 적용 가능하고, 그 이상의 굴착심도를 시공할 경우에는 추가적인 지보재를 사용함. - 지보재로 버팀보를 사용할 경우에는 굴착속도가 낮고, 내부공간이 큰 경우 비경제적이며, 지반앵커의 경우에는 천공시 지하수 유입문제 및 주변지반 침범에 의해 시공이 어려운 단점이 있으며, 레이커는 내부 작업공간의 간섭이 불가피함. - 이에, 효율적인 흙막이 공사를 위해서는 5~10m 굴착심도에서 수평변위를 저감할 수 있는 엄지말뚝 무지보 자립식 공법 개발이 시급함.○ 본 제안기술은 자립식 흙막이용 엄지말뚝에 다단으로 프리스트레스를 도입함으로써 지반 상부의 수동변위 발생을 최소화하면서도 토압에 의한 모멘트가 크게 작용하는 근입부에서는 프리스트레스를 최대화하는 무지보 자립식 흙막이 공법임. - 다단 프리스트레스 도입(지반 상부에서는 긴장력이 도입되지 않고, 지반 근입부에 최대 긴장력 도입)으로 배면토압에 의해 발생하는 모멘트와 유사한 반대방향 휨모멘트를 가하여 저항성능 증대 및 변위 억제가 가능함. - 별도의 지보재(어스앵커, 레이커 등) 없이 수평변위를 제어하여 안정적인 지지가 가능하므로 굴착고를 5m 이상 증대 가능함. - 굴착시 노출되는 부분의 좌굴장이 짧아 효율적인 프리스트레스 도입이 가능하며 수평변위를 최소화하여 주변 지반 침하의 우려를 제거할 수 있음.○ 기존 재래식 엄지말뚝 자립식 공법과 수평변위를 비교하면, 기존 재래식 공법은 지반 상부에서 최대변위가 발생하고, 제안기술의 경우 수평변위가 최소화(50% 이상 저감)됨을 확인.○ 본 제안기술은 ①엄지말뚝, ②강연선, ③고정측 정착구, ④강연선 앵커(SLA), ⑤긴장측 정착구, ⑥새들, ⑦이동식 반력대, ⑧편향부재로 구성됨. - 강연선은 긴장측 정착구를 지나 새들을 회전하여 고정측 정착구에 정착됨. - 천공홀에 엄지말뚝을 삽입하고 속채움 후, 이동식 반력대를 이용하여 강연선당 P의 힘으로 긴장하면, 상부 L3구간에서는 긴장력이 도입되지 않고, 긴장측 정착구 이하 부분인 L2구간에서는 2가닥의 강연선으로부터 2P의 긴장력이 작용하며, L1구간에서는 4가닥의 강연선으로부터 4P의 긴장력이 도입됨. - 강연선 앵커의 외피는 긴장측 정착구에 고정설치되며, 긴장력 도입시 쐐기가 빠지지 않도록 스프링에 의해 구속되어 긴장측 정착구부터 긴장력 도입이 가능.○ 시험샘플을 제작하여 핵심성능에 대한 평가가 완료된 TRL4에 해당하며, 그림 15와 같이 8m 시험체를 제작하여 다단 긴장에 대한 프리스트레스도입을 실험적으로 검증 완료한 상태임.○ 사고 위험이 많은 흙막이 공사의 안전성 제고를 위해 붕괴의 주된 원인이 되는 수평변위를 최소화할 수 있는 본 제안기술(다단 긴장 엄지말뚝 무지보 자립식 흙막이 공법)의 개발 및 실용화가 시급함. - 현재 TRL4단계로 기본적인 아이디어의 검증은 완료되었으나, 각 구성요소의 양산을 위한 설계최적화 및 보다 면밀한 구조해석 및 실험검증이 필요함. - 추가적으로 현장적용성 평가를 통해 실제 지반과 구조물간의 상호작용을 검증하고, 설계/제작/시공 매뉴얼 등 제반기준을 확립하여 상용화 단계인 TRL8단계까지 도달할 수 있는 연구개발이 필요함.
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| 연구내용 및 범위 |
○ 자립식 흙막이 설계프로세스 정립 - 설계기준 분석 및 핵심인자 도출 → 굴착고, 지반조건(마찰각/점착력), 말뚝 플랜지 폭 등 - 다단 긴장 엄지말뚝 구조계산서 개발 → 프리스트레스 고려 엄지말뚝 검토 프로세스 정립○ 다단 긴장 엄지말뚝 사양 개발 - 다단 긴장 상세 개발 → 강연선, 반력대, 정착구, 편향부재, 새들 - 엄지말뚝 사양 설계 → H형강(300*300), 비대칭 BH 제원 : 천공홀 고려 최적화 → 엄지말뚝 연결 사양○ 다단 긴장 엄지말뚝 구조해석 검증 - 다단 긴장 엄지말뚝 구조해석 검증 → 수평변위, 휨모멘트, 응력 - 다단 긴장 엄지말뚝 상세별 3D해석 검증○ 다단 긴장 엄지말뚝 시작품 제작성 검증 - 다단 긴장 시스템 제작성 검증 → 비부착 강연선, SLA(스프링 앵커), 인장잭 - 반력대 : 재활용 내구성(긴장 전/후 변형) 검증 - 정착구 : 운반 및 긴장시 볼트체결부 건전성 검증 - 편향부재 : 엄지말뚝 설치용이성 검증 - 새들 : 주물 제작 및 강연선 곡률배치 검증○ 다단 긴장 엄지말뚝 구조성능 실험평가 - 엄지말뚝의 다단 긴장시 프리스트레스 도입 검증 - 긴장측 및 고정측 정착구 긴장 손실 평가○ 다단 긴장 엄지말뚝 자립식 흙막이 현장적용성 평가 - 다단 긴장 엄지말뚝 제작/공장적치/운반/현장적치 - 천공 및 속채움 성능 평가 → 물다짐/그라우팅 등 최적사양 도출 - 굴착시 토류판 설치 시공성 평가 - 재활용을 위한 인발성능 평가○ 다단 긴장 엄지말뚝 자립식 흙막이 시공중 계측 평가 - 엄지말뚝 관입 및 다단 긴장 효율성 평가 → 수직도 및 인장잭 - 굴착시 수평변위 및 엄지말뚝 응력 계측/분석 - 추가 긴장에 의한 엄지말뚝 및 배면 거동 계측/분석○ 다단 긴장 엄지말뚝 자립식 흙막이 설계표준화 - 설계도서 개발 : 구조계산서, 도면, 수량산출서, 일위대가표 - 굴착고 및 지반조건별 표준단면 개발 ○ 다단 긴장 엄지말뚝 자립식 흙막이 특별시방서 개발 - 공장제작 및 현장시공 매뉴얼 - 품질 및 유지관리 매뉴얼○ 다단 긴장 엄지말뚝 자립식 흙막이 사업화 기반구축 - 공장내 엄지말뚝 가공 및 조립자동화 프로세스 구축 - 엄지말뚝 임대 및 재활용 supply-chain 구축
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