KR100746593B1 - 지지선과 선행하중 버팀보를 이용한 가설 토류벽 지지공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로, 철도, 항만, 댐, 상하수도, 지하철 및 건물지하층 등의 지하 토목구조물이나 건축구조물 축조공사를 위한 개착(open cut)식 지반굴착시 발생하는 토압을 지지하기 위한 가설 토류벽 지지공법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 강재에 비해 매우 경량인 지지선과 굴착초기에 토류벽 배면 지반측으로 선행하중을 가할 수 있는 장치(지지점, 지지선고정부, 버팀보, 선행하중 재하점)를 이용하여, 굴착이 진행됨에 따라 토류벽에 작용하게 되는 주동토압 및 수압을 버팀보를 통해 지지선의 인장력으로 지지하도록 하는 가설 토류벽 지지공법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 굴착배면 지반측으로 설치하는 지반앵커와 동일한 굴착내부 지지효과를 거둘 수 있고, 지지선을 이용함으로 장변의 버팀보에 비해 강재 소요량을 대폭 줄일 수 있어 본구조물 축조공사를 위한 원활한 작업공간을 확보할 수 있다.

지지선, 지지점, 지지선 고정부, 버팀보, 선행하중 재하점, 띠장, 트러스구조

Description

지지선과 선행하중 버팀보를 이용한 가설 토류벽 지지공법{Method for Supporting Temporary Retaining Wall Using Support-line and Pre-loading Strut}

도 1은 본 발명의 공법을 적용한 정방형 굴착현장의 평면도이다.

도 2는 본 발명의 공법을 적용한 정방형 굴착현장의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 공법을 적용하여 2개의 평면으로 분할한 장방형 굴착현장의 평면도이다.

도 4는 본 발명의 공법을 적용한 연속 굴착현장의 평면도이다.

도 5는 종래공법중 버팀보공법을 적용한 현장의 평면도(가) 및 단면도(나)이다.

도 6은 종래공법중 지반앵커공법(가) 및 지반네일공법(나)을 적용한 현장의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 공법에 유용한 지지선 고정부의 평면도(가) 및 사시도(나)이다.

도 8은 본 발명의 공법에 유용한 버팀보, 선행하중 재하점 및 지지점의 평면도(가) 및 사시도(나)이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 지지선 2: 지지선 고정부

3: 선행하중 재하점 4: 버팀보

5: 지지점 6: 띠장

7: 트러스구조 8: 지지선 고정축

9: 지지선 유도핀 10: 유압잭

본 발명은 도로, 철도, 항만, 댐, 상하수도, 지하철 및 건물지하층 등의 지하 토목구조물이나 건축구조물 축조공사를 위한 개착(open cut)식 지반굴착시 발생하는 토압을 지지하기 위한 가설 토류벽 지지공법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 지지선과 굴착초기에 토류벽 배면 지반측으로 선행하중을 가할 수 있는 장치(지지점, 지지선고정부, 버팀보, 선행하중 재하점)를 이용하여, 굴착이 진행됨에 따라 토류벽에 작용하게 되는 주동토압 및 수압을 버팀보를 통해 지지선의 인장력으로 지지하도록 하는 가설 토류벽 지지공법에 관한 것이다.

가설 토류벽 지지공법으로는 버팀보, 지반앵커, 지반네일, 버팀보에 유압잭을 사용한 선행하중공법 등이 사용되고 있으며, 각각에 대한 기술적 개요는 다음과 같다. 버팀보(strut)공법은 도 5와 같이 굴착내부에 버팀보를 가로 · 세로방향으 로 설치하여 양측의 토압을 지지할 수 있도록 하는 공법으로서, 버팀보의 좌굴방지를 위해 중간말뚝(center pile) 설치가 불가피하여 토공작업시 많은 장애요인이 되며, 굴착완료후 본 구조물 축조시 슬래브(slab) 등에 많은 구멍이 생기게 됨으로 인해 본 지하구조물 방수처리 문제가 뒤따르게 된다. 또한 이러한 중간말뚝과 가로 · 세로방향으로 설치된 버팀보로 인해 본 지하구조물 축조공사를 위한 자재반입, 철근 및 거푸집작업 등에 많은 장애가 되어 공사기간이 길어지며, 작업공간 협소로 인해 본 지하구조물 품질관리도 문제가 되고 있는 실정이다. 또한 50m이상의 장변인 경우 구조적 불안정성은 물론 과다한 강재 소요와 이에 따른 과대한 자중발생 등의 문제로 인해 현장적용이 어렵다.

지반앵커(ground anchor)공법은 도 6의 (가)와 같이 굴착배면 지반측으로 앵커를 설치하여 인장력을 가함으로써 토압을 지지할 수 있도록 하는 공법으로 위의 버팀보공법의 많은 문제점을 해소할 수 있는 공법이다. 그러나 최근 도심지의 지반굴착시 앵커설치를 위한 천공과정 중에 발생되는 진동 및 지반침하 등의 영향으로 인해 인접 구조물, 지하매설물(관로등)에 많은 손상을 가져와 민원발생의 문제가 심각하며, 이에 따라 인접 대지 측의 동의를 얻기가 매우 어려워 도심지에서의 적용은 많은 제약을 받고 있다. 또한 연약지반에서는 앵커체와 지반과의 마찰력이 매우 작아, 소요지지력을 얻기 위해서는 앵커길이가 길어져야 하며 이로 인해 공사비가 증가하게 된다.

지반네일(ground nail)공법은 도 6의 (나)와 같이 굴착배면 지반측으로 강봉 또는 철근을 설치하여 토압을 지지할 수 있도록 하는 공법으로서, 인접지하구조물 또는 지하매설물(관로 등)의 교차로 인해 소요 앵커길이 확보가 불가할 경우에 적용되고 있으나, 실제 시공시 단계별 굴착 미준수 등으로 인해 구조적 안정성 및 과다한 지반변위 발생 등의 문제점이 있어 지반조건이 비교적 양호하며 어느 정도의 지반변위가 허용될 수 있는 주변 여건에 한하여 제한적으로 적용될 수 있다. 또한 앵커에 비해 더 많은 개소의 천공작업이 요구되므로 공사비가 더욱 증가하게 되며, 앵커의 경우와 마찬가지로 인접대지 측의 동의문제가 수반된다.

버팀보(strut)에 유압잭을 사용한 선행하중 공법은 위의 버팀보공법에 유압잭을 설치하여 굴착배면 지반측으로 선행하중을 가함으로써 구조적 안정성 유지와 지반변위를 최소화할 수 있는 공법이다. 그러나 버팀보 공법에서와 같이 중간말뚝, 가로 · 세로방향의 버팀보로 인해 토공작업 및 본 구조물 축조작업에 장애요인이 되며, 장변의 경우 과다한 강재 소요와 이에 따른 문제는 여전히 뒤따르게 된다.

한편, 국내공개특허공보 1998-43585에는 강선을 긴장시켜 버팀보 사이의 간격을 넓히는 프리스트레싱을 이용한 보강방법이 제시되어 있다. 이 방법은 버팀보 사이의 간격을 넓히는데 어느 정도 효과적이나, 강선이 직선으로 배치되어 있어 보강되는 길이에는 한계가 있다.

또한 국내공개특허공보 2003-19937 및 2004-31451에는 다수의 삼각형 받침대와 정착장치 및 강선을 사용하여, 종래 가시설 공사에서 많은 지장을 초래하였던 다수의 버팀보와 중간파일을 대폭 줄인 프리스트레스트 가시설 및 그 공법이 제시되어 있다. 이 방법은, 코너부 정착장치에서 강선을 인장시켜 받침대에 설치된 별도의 띠장에 프리스트레스를 가하는 것을 특징으로 하여 버팀보와 중간파일의 수를 획기적으로 줄이는데 효과적이다. 그러나, 정착장치가 설치된 코너부의 협소한 공간에서 받침대들을 통해 전구간의 띠장에 프리스트레스를 가하기 위해서는 매우 큰 인장력(100ton 이상)을 필요로 하므로, 이를 위해 매우 큰 크기의 실린더를 사용해야 하는 단점과 아울러 강선 인장작업이 불편하여 시공시 안전에 문제가 있다. 또한, 강선의 인장에 따른 탄성신장으로 인해 신장된 강선을 계속 잘라내면서 작업을 해야 하므로 작업시간이 길어진다는 단점이 있다.

이에, 본 발명자는 상기 종래기술들의 문제점에 따른 제한적 적용성을 해소하고자 예의 노력한 결과, 강선 대신에 와이어로프, 케이블, 체인 등의 지지선을 사용하고, 상기 지지선에 의해 굴착초기에 토류벽 배면 지반측으로 선행하중을 가할 수 있도록 그 단부에 지지점 및 선행하중 재하점이 설치된 버팀보를 사용하여, 굴착이 진행됨에 따라 토류벽에 작용하게 되는 주동토압 및 수압을 버팀보를 통해 지지선의 인장력으로 지지한 결과, 굴착내부의 지지방법으로 굴착배면 지반측으로 설치하는 지반앵커와 동일한 효과를 거둘 수 있고 장변의 버팀보에 비해 강재 소요량을 대폭 줄일 수 있으며, 안전성이 우수하고, 공사기간 단축과 공사비용 절감이 가능하다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

결국 본 발명의 주된 목적은 구조적 안전성은 물론 지반변위를 억제하며 원활한 작업공간을 확보하여 본구조물 축조공사시의 품질을 향상시키고, 강재 소요량을 대폭 줄여 공사비를 절감하며, 공사기간을 단축시킬 수 있는 가설 토류벽 지지 공법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 도로, 항만, 철도, 댐, 상하수도, 지하철 및 건물지하층 등의 지하 토목구조물이나 건축구조물 축조공사를 위한 개착(open cut)식 지반굴착시 발생하는 토압을 지지하기 위한 가설 토류벽의 지지공법에 있어서, (a) 소정깊이까지 1단계 굴착을 수행한 다음, 토류벽체에 띠장(6), 지지선 고정부(2)를 포함한 트러스구조(7), 및 버팀보(4)를 설치하되, 상기 버팀보의 단부에 지지선에 의해 토류벽 배면 지반측으로 선행하중을 가할 수 있도록 지지점(5) 및 선행하중 재하점(3)을 설치하고, 지지선(1)이 버팀보 단부의 지지점을 지지할 수 있도록 거치하여 지지선 고정부에 팽팽히 고정시키는 지지선 설치과정; (b) 상기 지지선이 설치된 버팀보 단부의 선행하중 재하점에 선행하중(압력)을 가하여, 상기 선행하중이 버팀보를 통하여 토류벽 배면지반에 작용하여 굴착초기에 굴착 내측으로의 지반변위 발생을 억제시키는 과정; 및 (c) 각 단계별 굴착을 수행하면서, 상기 (a) 및 (b) 과정을 반복하여 굴착후 시간경과에 따라 토류벽에 작용하게 되는 주동토압 및 수압을 지지선의 인장저항력으로 지지하도록 하는 과정을 포함하는 가설 토류벽의 지지공법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 지지선(1)은 와이어로프, 케이블 또는 체인인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 지지선 고정부(2)는 지지선 고정축(8) 및 지지선 유도핀(9)을 포함하여 구성된 것임을 특징으로 할 수 있으며, 선행하중 재하점(3)은 유압장치(유압잭)이고, 지지점(5)은 롤러인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 (a)의 1단계 굴착 깊이는 1~2m이고, 상기 (c)의 단계별 굴착시 각 단계의 굴착깊이는 2~5m인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 지지선의 인장력 작용으로 인해 지지선 고정부(2)가 굴착 내측으로 움직이는 것을 방지하기 위하여, 코너부 트러스트 구조(7)의 버팀보 상에 유압장치(유압잭)(10)을 설치하고, 상기 유압잭을 이용하여 토류벽 배면측 경사방향으로 하중을 가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

4~5m이상의 지반굴착시, 토류벽의 수직파일에 프리스트레스를 가하기 위해서는 시공 순서상 소정 깊이(2m 이내)의 선굴착 및 지보공이 이루어져야 하나, 종래 국내공개특허공보 2003-19937 및 2004-31451에는 이러한 개념이 없다. 즉, 과다한 수직굴착은 토류벽체에 과다응력 및 과다변위의 발생을 초래하게 되므로 실제적인 시공이 불가능하다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 단계별로 굴착을 진행하고, 각 단계별 굴착 이후에 지지선과 선행하중 버팀보를 이용하여 토류벽을 지지하는 과정을 반복적으로 수행하였다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명을 적용한 정방형 굴착현장의 평면도 및 단면도이다. 소정의 깊이(약1.5m)까지 1단계 굴착을 실시하며, 이때 굴착평면 중앙부위를 먼저 굴착하고 코너부위, 각 변부위의 순서대로 굴착을 진행한다. 각 부위 굴착후 즉시 토류벽체에 띠장(6)을 설치하고, 코너부 버팀보와 지지선 고정부(2)를 포함한 트러스구조(7), 각 변의 버팀보(4)들을 순서대로 설치한다. 본 발명에서 지지선 고정부(2)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 지지선 고정부(2)로 인·출입되는 지지선(1)의 각도를 조절하는 지지선 유도핀(9) 및 지지선(1)을 체결하는 지지선 고정축(8)의 구조를 가지는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그 다음 지지선(1)을 버팀보(4) 단부의 지지점(롤러)(5)을 지지할 수 있도록 거치하여 지지선 고정부(2)에 팽팽히 고정시킨 후에 버팀보 단부의 선행하중 재하점(유압잭)(3)에 압력(선행하중)을 가한다. 이 선행하중이 버팀보를 통하여 토류벽에 전달되어 굴착초기에 배면 지반을 밀어내는 힘으로 작용하게 되며, 이 힘이 주동토압 및 수압으로 인한 굴착 내측으로의 지반변위 발생을 억제하게 된다. 본 발명에서 선행하중을 가할 수 있는 장치는, 도 8에 도시된 바와 같이, 버팀보(4)의 단부에 선행하중 재하점(유압잭)(3)과 지지점(롤러)(5)을 가지는 것이 바람직하다.

한편, 지지선의 인장력 작용으로 인해 지지선 고정부(2)가 굴착 내측으로 움직이는 경우가 발생할 수 있다. 이는 코너부 트러스트 구조(7)의 버팀보 상에 유압잭(10)을 설치하고, 상기 유압잭을 이용하여 토류벽 배면측 경사방향으로 하중을 가함으로써 방지할 수 있다.

이후 각 굴착단계(굴착깊이: 2~5m, 바람직하게는 3~4m)별로 위의 작업을 반복하여 진행한다. 도 2는 5단계 굴착을 수행하여 본 발명의 토류벽 지지공법을 적용한 예를 나타낸 것이다. 단계별 굴착이 진행됨에 따라 토류벽에 작용하게 되는 주동토압 및 수압이 버팀보를 통하여 지지선에 전달되며, 이로 인해 지지선에 인장응력이 발생되어 지지선 고정부에 인장력으로 작용하게 되며, 이 인장력은 지지선 고정부를 통하여 토류벽체 띠장과 코너부 트러스구조에 압축력으로 작용하게 된다.

정방형 굴착평면의 경우는 이러한 압축력이 네변 방향에서 같은 크기로 발생 하여 띠장과 트러스구조에 각각 반대방향으로 작용하게 되며, 이에 따라 외적으로 힘의 균형을 이루게 된다. 따라서 띠장과 트러스구조를 이러한 압축력에 대해 견딜 수 있도록 구조검토 및 설계하여 사용함으로써 외적 및 내적으로 구조적 안정을 이루게 된다.

장방형 굴착평면의 경우는 가로, 세로변의 길이가 약간 다를 경우 코너부 트러스구조에 작용하는 압축력의 크기가 큰 쪽에서 작은 쪽 방향으로 그 차이만큼 토류벽에 전달되어 배면지반에 수동토압으로 작용하게 된다. 이 경우 수동변위량은 주동변위량에 비해 매우 작으므로 미소한 밀림현상만으로 힘의 균형을 이루게 되며, 필요시에는 지반 고저차로 인한 편토압 발생의 경우와 마찬가지로 토류벽 강성을 보강한다. 또한 가로, 세로변의 길이가 현격히 다를 경우에는 도 3 또는 도 4와 같이 2개 이상의 평면으로 분할하여 본 발명의 공법을 적용한다.

기타 부정형 굴착평면의 경우에는 정방형 및 이에 준하는 여러 평면으로 분할하여 적용한다. 이와 같이 다수의 평면으로 분할하여 본 발명을 적용할 경우에는 각 부재에 균등한 응력이 발생될 수 있도록 굴착작업, 띠장 및 각 부재 설치작업, 선행하중 재하작업 등에 대한 공정계획을 충분히 검토 수립하여 적용토록 한다.

관로, 도로 및 철도 노선과 같은 연속굴착 평면의 경우는 도 4와 같이 상, 하변에 같은 크기의 주동토압 및 수압이 버팀보 및 지지선을 통해 띠장 및 트러스구조에 전달되며 양측의 압축력이 같으므로 힘의 균형을 이루게 되어 본 발명의 공법이 효과적으로 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 강재 빔에 비해 매우 경량의 지지선을 이용하여 굴착초기 에 굴착배면 지반측으로 선행하중을 가함으로써 굴착 내측으로의 지반변위를 최소한으로 억제할 수 있으며, 또한 단계별 굴착진행에 따라 토류벽에 작용하게 되는 주동토압 및 수압을 버팀보를 통해, 지지선의 인장저항력으로 지지함으로써 굴착내부에서의 지지방법으로 굴착배면 지반측으로 설치하는 지반앵커공법과 동일한 효과를 거둘 수 있다. 또한 경량의 지지선을 이용함으로 장변의 버팀보에 비해 강재 소요량을 대폭 줄일 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 굴착 내부에 설치되는 지지선의 인장저항력을 이용하여 선행하중 효과와 아울러 토류벽에 발생되는 주동토압 및 수압을 지지하도록 함으로써 종래의 지반앵커 및 지반네일 공법들의 제한적 적용성에 비해 현장 적용성이 광범위하게 되며, 구조적 안정성은 물론 선행하중을 가함으로 인접주변 지반변위를 억제하여 민원을 최소화 할 수 있고, 본 구조물 축조공사를 위한 원활한 공간 제공은 물론 종래의 버팀보 공법에 비해 강재 소요량, 이음부 접합수량을 대폭 줄일 수 있어 공사비 절감, 공사기간 단축 등의 복합적 효과를 거둘 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정 의된다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 도로, 항만, 철도, 댐, 상하수도, 지하철 및 건물지하층 등의 지하 토목구조물이나 건축구조물 축조공사를 위한 개착식 지반굴착시 발생하는 인접지반 변위를 억제하며 토류벽체를 지지하기 위한 가설 토류벽의 지지공법에 있어서,

   (a) 소정깊이까지 1단계 굴착을 수행한 다음, 토류벽체에 띠장(6), 지지선 고정부(2)를 포함한 트러스구조(7), 및 버팀보(4)를 설치하되, 상기 버팀보의 단부에 토류벽 배면 지반측으로 선행하중을 가할 수 있도록 지지점(5) 및 선행하중 재하점(3)으로 유압장치를 설치하고, 지지선(1)이 버팀보 단부의 지지점을 지지할 수 있도록 거치하여 지지선 고정부에 팽팽히 고정시키는 지지선 설치과정;

   (b) 상기 지지선이 설치된 버팀보 단부의 선행하중 재하점에 선행하중을 가하여, 토류벽 배면지반측으로 작용하게 함으로써, 굴착초기부터 굴착 내측으로의 지반변위 발생을 억제시키는 과정; 및

   (c) 각 단계별 굴착을 수행하면서, 상기 (a) 및 (b) 과정을 반복하여, 굴착 후 시간경과에 따라 토류벽에 작용하게 되는 토압을 버팀보를 통해, 지지선의 인장저항력으로 지지하도록 하는 과정을 포함하되,

   상기 지지선 고정부(2)는 상기 지지선 고정부(2)로 인·출입되는 지지선(1)의 각도를 조절하는 지지선 유도핀(9) 및 상기 지지선(1)을 체결하는 지지선 고정축(8)을 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 가설 토류벽의 지지공법.
2. 제1항에 있어서, 지지선(1)은 와이어로프, 케이블 또는 체인인 것을 특징으로 하는 가설 토류벽의 지지공법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 지지점(5)은 롤러인 것을 특징으로 하는 가설 토류벽의 지지공법.
5. 제1항에 있어서, 상기 (a)의 1단계 굴착의 깊이는 1~2m이고, 상기 (c)의 단계별 굴착시 각 단계의 굴착 깊이는 2~5m인 것을 특징으로 하는 가설 토류벽의 지지공법.
6. 제1항에 있어서, 지지선의 인장력 작용으로 인해 지지선 고정부(2)가 굴착 내측으로 움직이는 것을 방지하기 위하여, 코너부 트러스트 구조(7)의 버팀보 상에 유압장치(10)를 설치하고, 상기 유압장치를 이용하여 토류벽 배면측 경사방향으로 선행하중을 가하는 것을 특징으로 하는 가설 토류벽의 지지공법.

Images