TOP-DOWN공사의 흙막이벽, 바닥구조와 굴토공사
Top-Down공법을 적용하기 위해 필요한 3대 기본요소[그림-1] 중에서 흙막이벽은 굴토시 작용하는 토압과 수압을 지지하고 바닥구조는 흙막이벽을 수평 지지하는 역할을 한다. 선시공한 본구조체인 지하바닥구조는 가설지지구조에서 사용하는 Strut, Tie-Back 등에 비해 강성이 크고 안정성에서도 훨씬 우수하며 경제적이다. 흙막이벽은 지반조건과 주변조건에 따라서 가설흙막이벽 또는 지중연속벽을 적용하고 바닥구조는 기둥간격과 하 중의 크기에 따라서 철근콘크리트 또는 철골합성바닥구조를 적용한다. 흙막이벽과 바닥 구조공사는 지하공사에서 안전성, 시공성, 경제성 및 공기에 큰 영향을 미친다. 이 장에서는 이에 대한 ￭ 구조설계시 특별히 고려하여야 할 사항과 ￭ 합리적인 구조형식과 공사방 식을 요약하여 소개한다.
1. 굴토공사
Top-Down공법을 적용하는 현장의 흙막이벽과 바닥구조의 설계를 위해서는 굴토공사의 방법, 순서를 이해하여야 한다. 굴토공사방법과 순서는 각 현장조건에 따라 다르게 적용하나 여기서는 설명의 단순화를 위해 대표적인 예만 다룬다.
(1) 바닥구조공사와 굴토공사의 순서
[그림-2]의 Case-1 또는 Case-2처럼 바닥판이 횡력에 대해 안정성이 확보되지 않은 상태에서는 하부굴토를 피해야하고 [그림-2]의 Case-3 또는 Case-4처럼 바닥판이 횡 력에 대해 안정된 상태가 되었을 때 굴토공사를 하여야 한다.바닥공사와 굴토공사의 순서는 [그림-3a]처럼 한 방향으로 회전하는 순서(시계방향 혹은 반대방향 중에서 한 방향)를 반복하여 최하부층까지 유지하여야 안정된 상태에서 공사를 진행할 수 있고 공기를 단축할 수가 있다. 공사도중에 어느 중간층에서 순서를 바꿀 경 우에는 불안정한 상태를 만나게 되어 안정된 조건을 만족시키는 형태가 완성될 때까지 굴토공사를 기다려야 하는 경우도 발생되어 공기가 길어질 수도 있다.
[그림-4]처럼 지하평면이 크고 여러 동의 고층건물이 배치될 경우에도 공사과정 중에 항상 [그림-2]의 Case-3과 Case-4의 안정된 조건이 될 수 있도록 구획을 하고 순서를 결정하여 분할공사를 한다.
(2) 분할공사 시 구조설계에 고려할 사항
지하외벽(혹은 흙막이벽)과 바닥구조의 연결 접합부는 연직하중(중력하중)뿐만 아니라 횡 력(토압, 수압)을 받고 있는 지하외벽을 지 지하고 있는 바닥판이 지하외벽으로부터 미 끄러지지 않게 즉, 직접전단에 대해 저항할 수 있게 설계되어야 한다. [그림-5a]참조 또한 가설흙막이벽 적용시에 본 공사용 지 하외벽을 역타설로 시공할 경우에는 부분 시공된 지하외벽은 바닥판으로 부터의 수평 전단력을 안전하게 지지할 수 있도록 설계 되어야 한다. [그림-5b]참조
그리고 지하코어구조가 바닥구조에 작용하 는 수평력을 지지할 수 있도록 배치된 경우에는 코어구조를 선시공하면 분할시공에 큰 도움이 된다.
(3) 분할공사 시 시공자가 고려할 사항
지중연속벽을 적용할 경우에는 지중연속벽이 이미 굴토전에 전체가 지중에 선시공되어 있기 때문에 판넬과 판넬사이에 지압에 의해 바닥판으로부터의 수평력이 전달되므로 안 정성에 큰 문제가 없으나 가설흙막이벽의 적용시에는 지하외벽은 굴토 후에 시공되므로 굴토할 바닥의 해당층 지하외벽이 시공된 후에 굴토를 해야 한다. [그림-5b]참조
(4) 땅바닥 위 바닥구조의 하부 굴토공사
땅바닥 위 바닥구조 형틀공사방식의 경우, 층고가 4.5m 이상인 층에서는 슬래브하부까지 굴토하지만, 층고가 낮은 지하 주차장층(약 3m의 층고)에서는 굴토장비의 효율성을 고려 하여 [그림-6a, b]처럼 굴토깊이를 약 4.5m정도 확보하도록 해당층 바닥슬래브 하부면 보다 약 1.5m깊이까지 굴토공사를 진행한다. 그리고 뒤 따라서 [그림-6c]와 같이 땅바 닥 위에 바닥판의 합판형틀을 깔기 위하여 슬래브 하부면까지 흙을 채운다.
2. 흙막이벽과 지하외벽
(1) 흙막이벽의 역할과 종류
흙막이벽의 공법종류의 채택은 지반조건, 주변조건, 대지조건 등에 따라서 결정되며, 흙막이벽의 구조설계는 계획된 굴토공사 방법, 순서 등에 의한 단계별 공사진행과정과 사 용시 조건을 고려한 구조해석에 의해 이루어져야 한다.
Top-Down공사시에 흙막이벽은 [그림-7a]처럼 횡력(토압, 수압)에 대한 면외 응력(휨모멘트, 전단력)뿐만 아니라 각층의 바닥구조로 부터의 연직하중을 지지하는 지반으로 전이 시키기 위해 압축력을 받고, 바닥판과 굴토공사를 분할하여 시공할 경우에는 [그림-5b] 처럼 수평전단력을 지지하는 역할도 한다.
그러므로 흙막이벽은 이에 적합한 공법을 채택하고 작용력에 대해 안전하게 설계되어야 한다. 따라서 Top-Down공법을 적용할 경우에 흙막이벽은 일반적으로 지중연속벽[그림 -6b]이나 CIP와 H형강으로 구성된 가설흙막이벽[그림-7c]을 사용한다.
(2) 지중연속벽
Top-Down공사에 가장 적합한 흙막이벽은 지중연속벽이다. [그림-7a]처럼 지중에 선시공된 연속벽은 굴토공사시에 횡력 및 연직하중에 대해서도 안전하고 별도의 지하외벽공사가 필요 없고 바닥구조와의 접합부시공이 단순하고 지하수의 유입을 최소화시킬 수 있 으므로 지반조건이 허용한다면 흙막이벽은 연속벽이 가장 적합하다.
연속벽은 각 strip간이 전단접합으로 연결된 상하 일방향 연속슬래브와 같다. 따라서 Top-Down공사를 진행할 때에 연속벽을 보강하기 위해 직각방향 붙임벽(Buttressed Wall)을 사용하는 것은 비합리적이다. 구조계획시에는 시공순서 및 방법도 분석하여 이러한 실수를 하지 않도록 유의해야한다.
연속벽과 바닥판의 연결부는 일반적으로 바닥판에 작용하는 연직하중과 분할시공시에 발생하는 직접적단력을 저항할 수 있게 [그림-9]처럼 설계하여 [그림-10]과 같이 현장에서 시공된다.
(3) CIP와 H파일로 구성된 가설흙막이벽과 역타설 지하외벽
지중연속벽을 채택하기 어려운 지반 즉, 암반이 일찍 시작되는 지반에서도 도심지에서는 여러 가지 조건 때문에 Top-Down공법을 적용하여야하는 현장들도 많다. 이때는 주로 CIP와 H파일로 구성된 가설흙막이벽을 지중공사한 후, 단계별로 각층에 대한 굴토 및 바 닥구조공사를 진행하고 바로 해당층 지하외벽공사를 한 후, 다시 슬래브 하부의 지반을 굴토하는 방식으로 공사를 진행한다.
Top-Down공사용 기둥처럼 지중에 선시공된 흙막이벽도 굴토 후에나 시공오차의 크기와 양상을 알 수가 있다. 따라서 Top-Down공사용 흙막이벽에 가설흙막이벽을 적용할 경우에 지하외벽은 역타공사를 하게 되므로 [그림-11b, c]처럼 바닥구조와 H파일의 접합부와 역타지하외벽 구조는 시공오차를 고려한 설계를 하여야 한다. 또한 지하외벽의 수직철근은 [그림-11a]와 [그림-12f]처럼 역타공사에 적합한 철근의 이음을 고려하여 배근하여야 하고 [그림-12d]처럼 지하외벽의 콘크리트역타를 위한 타설구를 설치하여야한다.
(4) Underpinning
우리나라의 도심지에서는 토지의 이용률의 극대화하기 위해 지하층을 5~8층 깊이까지 이용한다. 반면에 우리나라 도심지의 지반은 암반이 대체로 얕은 깊이에서 나타난다. 서울의 예를 들면 한강주변에 있는 여의도 지역은 약 지하 6~7층, 남산주변은 지하 3~4층, 한강에서 떨어진 구릉이 있는 테헤란로주변 지역은 지하 2~4층 정도의 깊이에서 암반이 나타난다. 따라서 지중연속벽이나 가설흙막이벽들이 [그림-9a]와 [그림-13b]처럼 최종 굴토면까지 근입하지 않는 경우가 많은 편이다. 이러한 경우에 Top-Down공사시에 Underpinning공법에 의해 굴토공사를 해야하므로 흙막이벽의 전반적인 안정성뿐만 아니라 Underpinning부분의 안정성, 굴토시 연속벽의 하단부를 지지하고 있는 암반 턱에 대한 안정성([그림-13a]참조)을 검토하여 적합한 공법과 보강대책을 세워야 한다.
3. 바닥구조
Top-Down공사용 바닥구조는 시공중 또는 완성 후 구조물에 작용하는 고정하중, 활하 중, 풍하중, 지진하중, 토압과 유체압 외에 프리스트레스 힘, 크레인 하중, 진동, 충격, 건조수축, 크리프와 온도변화 및 탄성수축, 지지부(선기초기둥, 지하연속벽, 매단기둥 등)의 부동침하 등 각종 하중 및 외적작용의 영향을 고려해야 하고 지중공사로 인한 선기초기 둥, 흙막이벽의 시공오차를 쉽게 흡수할 수 있도록 설계하여야한다.
(1) 바닥구조의 역할
일반적으로 바닥판은 구조적으로는 바닥판에 실리는 연직하중을 지지하며, 구조물 상하 층간의 연소방지 및 차음 등의 부수적 기능을 발휘하는 구조 부재이다. 또한 Top-Down 공사시나 완료시에 바닥구조는 토압이나 수압 등을 받는 지하외벽체에 대한 지지기능을 발휘하여 안전하게 횡력을 인접 구조부재로 분산시키는 기능을 주로 담당한다.
따라서 바닥판의 구조계획시에는 내력, 강성, 내화성, 차음성 등의 품질성능과 경제성, 시공성 등을 동시에 고려하는 것이 일반적이다.
(2) Top-Down공사에 적합한 바닥구조형식
Top-Down공사에 적합한 바닥구조의 형식을 선정하기 위해서는 다음과 같이 공사시와 사용시에 대한 요구조건들을 충분히 검토하여야 한다.
공사시
- 경제적인 바닥구조
- 적은 공종
- 단순한 공사
- 추가적인 구조요소와 가설구조의 최소화
- 선기초기둥과 흙막이벽의 시공오차 흡수
- 전체 굴토깊이의 최소화
- 횡력(토압, 수압)에 대한 안정된 횡지지
- 굴토공사 시 화 재에 대한 안정성
사용시
- 유효천정고를 만족하면서 낮은 층고
- 안전성
- 내구성, 유지관리
- 사용성
- 내화성능
- 외관
위 요구사항을 고려하면서 다음의 현장사진[그림-15]을 보고 대표적인 3가지의 바닥구조형식에 대한 각 특성(시공성, 안전성, 내화성능, 내구성, 사용성, 경제성 등)을 이해하면 어느 바닥구조형식이 지하 Top-Down공사에 적합한지 독자가 직접 판단할 수 있으리라 고 생각된다.
(3) 중력하중에 대한 고려사항
Top-Down공사용 바닥구조의 연직하중에 대한 구조해석과 부재설계는 일반공법을 적용한 바닥구조의 설계와 마찬가지로 구조설계기준에 따른다. 다만 공사시의 각 단계와 사용시에는 하중조건과 부재의 경계조건에 현저한 차이가 있으므로 이를 고려하여 설계를 해야한다. 예를 들면 가설흙막이벽을 적용했을 때에, [그림-17]처럼 공사시에 1층바닥은 주로 큰 이동하중이 작용하므로 연속보로 구성된 바닥구조의 해석에는 패턴하중을 고려 하여야 하고, 지하외벽이 형성되기 전의 조건에는 바닥구조의 외곽은 핀으로 하여 구조 해석을 해야한다. 사용시에는 하중의 종류, 크기와 분포가 바뀌고 지하외벽이 형성되어 있으므로 바닥구조의 외곽은 부분 강접합 또는 강접합으로 하여 구조해석을 해야할 것이다.
(4) 바닥구조의 면내 압축력
지하층 바닥구조는 중력에 의한 휨모멘트와 횡력(토압, 수압)에 의한 압축력을 받게 되어 압축부재의 장주효과를 고려해야 한다. 이를 고려하는 방법으로는 2계 비선형해석방법 또는 근사해법인 모멘트 확대계수법 등이 있으나 실무에서는 구조해석 및 설계를 단순화 하기 위해 주로 모멘트 확대계수법에 의해 압축을 받는 바닥구조의 장주효과를 고려한다. 바닥구조는 지하외벽에 의해 횡지지되고 기둥부분에서 상하이동이 구속되므로 횡구 속된 바닥구조의 양단 사이에 하중이 있는 압축부재로 간주한다. 확대계수모멘트는 건축 구조설계기준의 ‘횡구속 골조 압축부재의 확대모멘트’에 따라서 구할 수 있으며 서울대학교 박홍근 교수의 논문(면내 압축력을 받는 플랫 플레이트 슬래브에 대한 모멘트 증대법, 콘크리트학회지 제11권 1호, 1999.2)을 이용하여 편리하게 실무에 적용할 수 있다.
지반조건과 구조조건에 따라서 다르겠지만 지하 6~7층, 기둥간격 8.1×8.1m, 슬래브두께 300mm 정도의 조건에서 최하부층을 층고가 높은 기계실로 사용할 경우에 기계실 위층의 내부바닥판의 주열대 정모멘트는 약 50%, 주열대 부모멘트는 약25%, 중간대에서는 약 100% 정도 증가된다. 따라서 최하부층의 바로 위층은 토압 및 수압에 의한 압축력이 매우 크므로 층간 바닥판의 수축도 감소시켜 기둥에 발생되는 부가응력도 감소시키고 바 닥판의 철근량의 증가를 최소화하기 위해 연직하중에서 필요한 슬래브두께보다 증가시켜 설계를 하는 것이 합리적이다.
(5) 지하외벽 주변 바닥구조의 개구부
외벽주변에 개구부가 있을 경우에는 굴토시에 발생되는 횡력을 바닥판에 안전하게 전달 할 수 있도록 [그림-20]처럼 테두리보는 수평보(Wale), 가로 보는 스트럿(Strut)의 역할을 하도록 설계하여 [그림-21]과 같이 현장에 적용된다.
(6) 건조수축균열의 최소화방법
Top-Down공법에 의하여 순차적으로 한 층씩 바닥구조공사와 굴토공사가 진행된 바닥구조는 횡토압 ․ 수압을 받는 지하연속벽을 지지하고 있는 바닥구조에 압축력이 작용하므로 바닥구조에 발생되는 건조수축으로 인한 인장응력보다 압축응력이 커져서 일반공법 (Open cut에 의한 순타공사)에 의한 바닥구조보다 건조수축균열이 훨씬 적다. 이 압축력의 효과를 보려면 적절한 시기(약75%강도 발현시)에 슬래브하부를 굴토해야하고 바닥판의 건조수축을 구속하는 하부지반의 마찰력, 선기초기둥의 강성, 지하 연속벽의 강성 등에 의한 구속력을 최소화 할 수 있도록 바닥콘크리트 타설구간을 구획하여야 한다.
한 현장에서 [그림-22a]의 A구간의 바닥슬래브를 먼저 콘크리트 타설한 후 현장사정상 하부 굴착의 시기가 늦어져 굴토하지 않은 바닥하부의 지반과 기둥의 구속력에 의해 그림과 같이 바닥슬래브에 건조수축균열이 발생되었다. 그러나 [그림-22b]의 B구간 바닥 슬래브의 콘크리트를 타설한 후 75%정도의 강도발현이 되는 7일 후 바닥슬래브를 굴토 한 결과 횡토압 ․ 수압에 의하여 건조수축에 대한 구속력이 해방되어 인장력이 존재하지 않아서 왼쪽 부분의 슬래브에는 왼쪽과 같은 건조 수축균열이 연장되지도 않았고 발생되지도 않았다.
이러한 현상은 건조수축이 많이 진행되기 전의 적절한 시기에 하부 흙파기를 하면 바닥 구조에 압축력이 생겨 건조수축균열을 많이 줄일 수 있다는 것을 암시한다.
(7) 역타이음부
Top-Down공사용 기둥, 지하외벽, 내부콘크리트벽 들은 역타공사에 의해 콘크리트공사를 하므로 바닥구조공사시에는 바닥구조와 수직으로 연결되는 부분에 수직연결철근과 역 타설구를 설치해야한다. 역타설구의 위치는 콘크리트의 채움이 용이한 곳에 배치한다. 역 타설된 수직콘크리트에는 침강이 크게 발생되므로 바닥구조의 하부에는 틈이 발생된다. 이 틈은 Grouting에 의해 보강되어야 한다.
(8) 땅바닥 위 바닥구조공사와 평탄성
Top-Down공사현장에서 동바리 또는 현수 형틀을 사용하지 않고 [그림-24]처럼 땅바닥 위에 합판을 깔고 바닥구조공사를 하는 형틀공사방법은 다른 형틀공사방법보다 훨씬 공사가 단순하고 안전하며 경제적이다. 이런 방법을 많이 경험한 건설사는 다른 Top-Down공사현장에서도 계속 적용한다. 반면에 땅바닥 위 바닥공사방법으로 공사한 경험이 없는 건설사는 형틀의 평탄성, 즉 형틀의 시공오차를 걱정하여 좀처럼 이 방법을 채택하지 않는다. 그러나 한 현장에 대한 형틀공사와 배근에 대한 시공오차를 측정하여 분석한 결과에 의하면 다음 표-1과 같이 철근콘크리트설계기준이나 ‘ACI 347 FORMWORK FOR CONCRETE’의 시공오차 허용치를 만족하고 일반형틀공사보다 시공 오차가 적게 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
첨언
기고예정이었던 ‘ES-TD Column System의 소개’는 MIDASIT에서 주관한 기술강좌에서 간단히 소개하였으므로 생략하였습니다. 관심이 있는 분은 MIDAIT의 온라인 기술강좌에 있는 동영상자료를 참고하시기 바라며, 실무에 적용하기 위해 협의가 필요하신 분은 별도로 저에게 연락을 주시면 감사하겠습니다.
참고자료
1. 전봉수, 김승원, 김상범, 김세익, Top-Down공법의 연구, 기술지, 포스코개발주식회사, 2001
2. 서울대학교 건축학과 박홍근교수, 면내 압축력을 받는 플랫 플레이트 슬래브에 대한 모멘트 증 대법, 콘크리트학회지 제11권 1호, 1999.2
3. 뉴테크구조 대표 김승원, 지하공사에 추가 구조요소와 가설구조를 최소화하는 합리적인 Top-Down공법과 구조형식의 소개, MIDASIT주관 기술강좌, 2009.2.26