Top-Down 공사의 기본구성요소와 공사계획 및 구조계획
1. Top-Down 공법의 기본구성요소
Top-Down 공법에 의하여 굴토공사 및 지하부와 지상부공사를 하기 위해서는 1차적으 로 횡토압․수압 및 연직하중을 지지하기 위한 ① 흙막이벽이 필요하고 2차적으로 흙막 이벽을 지지하기 위하여 바닥구조체를 이용하거나 가설지보공 등의 ② 횡지지대가 필요 하며 3차적으로 횡지지대의 좌굴길이를 제한하고 이에 작용하는 지하층하중과 지상층하 중을 수직으로 지지하기 위한 ③ 중간기둥이 필요하다. 여기서 중간기둥은 축하중을 지반에 안정되게 전달할 수 있는 선 시공된 기초를 필요로 한다.
이 3가지 요소는 Top-Down 공사를 수행하기 위해서 필요한 최소한의 구성요소가 되며 각 요소에는 여러 종류의 공법이 있다.
따라서 각 현장마다의 특성 즉, 터파기의 규모, 지반조건, 주변조건, 구조조건, 하중조건, 공기, 공사비 등을 고려하여 최적 공법이 적용될 수 있도록 종합적으로 분석하여 각 요소마다의 공법을 선정하고 동시에 선정된 공법에 적합한 구조형식을 적용하여야 한다. 선택된 공법과 적용된 구조형식은 종합적인 공사계획을 융통성 있게 세워서 이에 따라서 원활히 공사가 수행되도록 구조설계를 하고 시공관리를 하여야 안전성, 경제성, 시공성, 공기 등을 고려한 소기의 목적을 이룰 수 있다.
1.1 흙막이벽
일반굴착공법에 의한 흙막이벽의 주 역할은 횡토압과 수압을 지지하는 것이지만, Top-Down 공사에 있어서는 연직하중도 지지해야 한다. 뿐만 아니라 마른 지반에서의 토공사와 구조공사를 하기 위해서는 흙막이벽의 선단부를 불투수층에 근입시켜 흙막이 배면쪽의 지하수가 굴착부로 유입되는 것을 차단하는 것도 흙막이벽의 주 역할이다.
1.2 선기초기둥(중간기둥)
지중에 설치된 Top-Down 공사용 기둥은 단계별로 지하굴착시에 노출되면서 상부에 구축 되어가는 구조에 작용하는 구조물 자중, 작업하중, 마감하중, 풍하중 등을 지지하는 파일 및 기둥의 역할을 한다.
Top-Down 공사용 기둥은 계획된 하중을 지지해야 하므로 기둥부재 뿐만 아니라 이 기둥의 축하중을 지반에 전달하기 위하여 기둥선단에 기초를 설치해야 한다. 따라서 기둥 설치 및 기초공사를 위해 RCD, PRD 및 Baber 등의 천공장비 또는 Strip 파일 굴착장비 등을 사용하여 지지지반까지 굴착하여 피어와 기둥을 설치하게 된다. 이러한 기둥의 선 단에 기초가 선시공된 Top-Down 공사용 기둥을 선기초기둥(pre-founded column)이라 고 한다.
1.3 바닥구조
Top-Down공사시 바닥구조는 자중, 벽하중, 마감하중, 작업하중에 의하여 휨모멘트와 전단력을 받게 되고, 지하외벽으로부터의 횡토압, 수압에 의한 축압 및 전단력을 받게 된 다. 또한 바닥판은 건조수축, 크리프수축, 온도수축․팽창 등에 의한 숨겨진 힘들을 받는 다.
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, 시 공성 등을 동시에 고려하는 것이 일반적이다.
2. Top-Down공법의 종류 및 기법
Top-Down 공법은 지반의 조건, 주변환경, 건물특성 등에 따라 경제성, 시공의 용이성, 공기 등을 고려하여 여러 가지 기법이 적용된다. Top-Down 공법의 종류는 ① 적용부위 또는 ② 지지방식에 따라 구분할 수 있겠으나 각 요소의 공법선정 및 조합방식과 적 용부위 및 공사순서에 따라서 각 현장에 적합하게 독창적인 기법을 개발할 수 있다. 지 지방식은 선기초 기둥의 종류에 속하기도 한다. 여기서는 적용부위에 대한 Top-Down 공법의 종류 및 기법을 소개한다.
2.1 상하동시진행
지하층 굴토 및 구조 공사시에 지상층 공사도 동시에 진행하는 방법으로 적절한 공사방법과 순서 및 구조형식이 적용될 경우에는 전체공기 절감효과가 큰 방법이다.
2.2 하부만 진행
지하부 공사만 진행하는 방법으로 해안가 또는 매립지처럼 지하수위가 높은 연약지반에 지상층수가 높지 않은 경우나 도심지에서는 지하층수 및 지하층 수가 적은 경우에 사용되며, 주목적은 주변 지반의 안정을 최대화하기 위해 적용된다.
2.3 부분 Top-Down 공법
(1) 오픈컷 역타공법(외주부 역타 중앙부 순타)
지하층이 매우 넓은 경우에 지하외벽 주변에 테두리 바닥구조를 역타로 시공하면서 단계 별로 각층의 지반을 굴착하면서 공사를 진행하는 방법으로 주변바닥구조는 흙막이벽을 지지하는 Wail역할을 한다. 테두리 바닥구조의 Wail 강성이 부족할 경우에는 개구부를 가로지르는 수평버팀대를 임시로 설치하기도 하고 바닥구조의 일부를 선 시공하여 수평 버팀대 역할을 하게 계획하기도 한다. 나머지 부분(중앙부)은 최하부층까지 굴착한 후 기초부터 상부로 시공한다. 지하층이 매우 넓은 경우에 전체 역타공사방법에 비해 선기초 기둥 설치 개소를 감소시킬 수 있어 공사비가 감소된다.
(2) 아일랜드 오픈컷 역타공법
“Soil Berm을 이용한 오픈역타공법(외주부 역타 중앙부 순타)”으로 지하층이 넓은 경우 에 지하흙막이벽을 시공한 후에 그림과 같이 Soil Berm(흙 소단)을 이용하여 중앙의 고 층부를 먼저 굴착한 후 기초부터 상부로 시공하는 방법이다. 흙파기공사가 매우 효율적 이고, 고층부공사를 빨리 시작할 수 있다는 것이 큰 장점이다. Soil Berm의 경사는 토질 에 따라서 높이 : 수평길이 = 1 : 1.5~2.5가 요구된다.
(3) 중앙부 순타 외주부 역타
철근콘크리트 코어벽이 중력하중과 횡하중을 지지하는 초고층건물에서 코어벽에 작용하 는 매우 큰 하중을 지반에 분산시켜 전달하기 위해 코어부 기초를 온통기초로 설계한 경 우에는 코어부를 선기초기둥에 의해 지지하기 곤란하다. 이러한 경우에는 코어부분을 가설흙막이공법에 의해 선굴착한 후 기초부터 상부로 시공하고 주변의 지하층바닥구조는 1 층부터 하부로 진행하는 역타공법을 적용할 수 있다.
2.4 스키프 방식
지하 굴토공사의 효율을 높이기 위하여 대형 굴토장비를 사용하기 위해서는 높은 층고가 필요하므로 한 개 층씩 바닥구조공사를 건너 띄는 방법을 적용하기도 하고, 높은 층고가 필요한 기계실 등의 상부층 바닥은 큰 개구부로 인하여 횡지지가 곤란하므로 건너 띄고 후 시공하는 방법을 적용한다.
2.5 전이트러스와 인장기둥
지하층과 지상부 평면이 좁고 길쭉한 경우에는 지상 1층에 전이트러스의 양단부를 지하 연속벽에 지지하고 전이트러스 하부방향으로 인장력을 받는 지하층기둥을 매달아 가면서 굴토공사 및 구조공사를 진행하고 전이트러스 상부방향으로는 압축기둥을 이용하여 상부 층공사를 진행하도록 하는 방법을 적용할 수 있다.
