차수공법, 제반여건 종합적 고려하여 선정해야
선정구간은 심도·공법변경 없도록 설계단계에서 검토 강화 필요

▲ 이영준/한국수자원공사 수도권수도건설단

한강하류 1차 사업의 도수시설 시점은 여의도 63빌딩 앞에서 수도권광역상수도 1단계 관로에서 분기함에 따라 한강하저터널(성산대교 남단∼북단, 1.3㎞)을 포함, 유량이 풍부하고 조수간만의 차가 큰 한강변에 시공됐다.

관로공사의 경우 터파기 심도가 낮아 지하수위만을 고려하여 지하수위가 낮은 구간은 Sheet-pile로 시공함에 따라 관로공사에는 그다지 어려움이 없었으나 한강 하저터널 발진, 도달기지 및 세미실드 추진, 도달기지 등에서는 심도가 깊고 자갈층의 깊이가 깊어 일반적으로 통용되는 차수공법 적용에 어려움이 많았다.

이에 토질 특성을 고려한 차수공법 선정 및 대가 적용, 시공성, 경제성, 차수효과 등을 종합적으로 만족하는 차수공법을 선정한다는 것이 상당히 어려우며, 설계기준 등이 미비하므로 적용사례 분석을 통해 추후 타 현장 하천공사 차수공법 적용 시 도움이 되고자 한다.

 

차수공법을 설계할 때는 구조물의 중요도와 기초지반의 토질조건을 충분히 고려하여 공법을 결정해야 한다. 기초지반이 점성토나 사질토인 경우에는 대부분의 차수공법이 시공가능하나 지하수위가 높거나 사력층, 호박돌이 섞인 지층, 전석층에서는 시공성이 낮거나 불가능할 경우가 있으므로 신중하게 검토해야 하며, 차수공법의 선정은 경제성, 시공성, 환경성, 안정성 등을 고려해야 한다.

 

2.1. 차수공법의 종류
국내에서 하천제방공사에 사용되고 있는 차수공법은 널말뚝공법, 주입공법, 심층혼합처리공법, 고압분사교반공법, 지중연속벽공법 등이 사용되고 있으며, 주요 공법으로는 △널말뚝공법 △주입공법-일반주입(Cement Mortar Grouting) 공법, 약액주입공법, 비약액주입공법 △심층혼합처리공법 △고압분사교반(Jet Grouting) 공법 △지중연속벽공법 등이 있다.

 

이번 장에서는 실제 공사하면서 차수공법을 적용한 사례를 종류별로 예시하여 차수공법의 적용성과와 주의점, 특성 등을 살펴보고자 한다.

 

3.1. 한강하저터널 발진, 도달 수직구 적용사례-지중연속벽 슬러리월 공법
하강 하저터널 굴진을 위한 장비 및 자재 반입, 반출용인 발진, 도달 수직구(직경 18m, 두께 1m)는 지중연속벽 슬러리월 공법을 도입했다. 지중연속벽 공법이 벽체의 강성과 내구성이 우수하여 한강하저터널 발진, 도달구에 적용됐다. 본 수직구 조성시에는 BC-CUTTER라는 굴착장비를 이용하여 18SPAN으로 분할하여 지하 40m까지 1SPAN 굴착 후 철근망 삽입 후 콘크리트 타설하는 방법으로 시공했다.

지하연속벽 시공에서는 벤토나이트 안정액의 농도, 안정액 수위 따라 안정성 및 시공성이 크게 달라지므로 시공 시 이에 주의해야 하며, 철근망 삽입 시에는 당 현장의 경우 2구간으로 나누어 시공했으나 1구간 당 길이가 20m 이상으로 철근망 조립 및 결속에 특히 주의했다.

 

[그림 1] 가이드월 굴착 및 con'c 타설

3.2. ‘SMW＋지중연속벽 슬러리월’ 공법 적용사례
지중연속벽은 어떤 지반이라도 시공이 가능하나 굴착 시 공벽 붕괴 가능성이 있고 고도의 기술력이 요구되는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 사질토의 경우 표준관입 시험의 N치가 20이상이면 지하연속벽 굴착 시 자립이 가능한 것으로 알려져 있으나, 한강 하저터널 도달기지 구간은 GL.(－)8.2m까지 N치가 6∼11의 낮은 사질토로서 지하연속벽 굴착 시 붕괴의 우려가 있어 구벽 자립에 대한 안정성 검토가 필요했다.

지하연속벽 굴착에 대한 트렌치의 안정을 검토하기 위해서는 시공 중 가해지는 상재하중 및 활하중, 철근망 근입 시의 하중 등을 고려해야 한다. 또한 본 굴착구간에서는 지반조사 자료의 불확실성, 공사의 중요도를 고려하고 굴착구간이 한강에 인접해 있는 지역임을 감안하면 허용 안전율을 1.5 이상으로 적용했으며, 검토 결과 트렌치 안정에 대한 추가 공법이 필요한 것으로 검토됐다.

이에 보강요법으로 심층 혼합처리 공법의 기본공법으로, 크레인에 파일 드라이브와 Auger를 부착하여 소요깊이까지 천공하고 플랜트에서 압송된 주입제(시멘트+벤토나이트+물)와 지중의 토사를 혼합 교반하여 치수벽을 형성하는 공법으로 이토, 점성토, 사질토, 느슨한 사력토층에 광범위하게 사용 가능하여 연약한 사질토 지층의 지반개량 효과 및 차수효과가 양호하고 상대적으로 경제적인 SMW(Soil Cement Mixing Wall)을 선정했으며, SMW공법을 선 시행하여 지반안정 후 지하연속벽 굴착을 시행했다.

 

RJP공법은 고압분사 교반공법의 일종인데, 고압분사 교반공법은 심층 지반을 개량한 것으로 지반 중에 주입관을 관입하여 수평방향으로 200㎏f/㎠ 이상 고압으로 경화제(cement paste)와 Air-jet을 분사해 주입관을 회전 인발시킴에 따라 파괴된 토립자와 경화제를 혼합 교반해 원주상의 고결체를 형성하는 공법으로 Air-jet을 처음 병행시켜 개발한 것이 JSP(Jumbo Special Pattern)공법이다. 아울러 기계공학의 발전으로 400∼700㎏f/㎠ 정도의 초고압펌프를 개발해 초대형직경(D2∼3M)의 고결체를 조성할 수 있게 개발된 것이 RJP공법이다.

신뢰할 수 있는 고결체를 형성할 수 있고 내구성이 우수하여 차수, 기초파일, 지반개량 등의 목적으로 다양하게 적용할 수 있는 공법이나 지하수 유동이 큰 자갈 전석층에서 적용성이 낮음이 보고된 바 있다.

당초 공사비가 저렴하며 시공실적이 많아 당 현장에 적용키로 설계되었으나, 한강변인 하천구간에 사용시 자갈층이 발달하고 지하수가 많은 구간에서는 피압상태하에서 경화제가 피압수와 같이 배출되어서 굳혀지지 않는 일이 있어 파천 및 자유로 발전기지 등 실제적 용결과 구근이 제대로 형성되지 않아 차수공법을 적용하기에 다소 무리가 있는 것으로 나타났다.

 

■ 사례 자유로의 경우 M-RJP(Micro-Rodin Jet Pile) 차수공 2열 시공 후에도 지하수 및 토사가 유입되는 실정이었으며, M-RJP 구근 확인조사 결과 Grout 중앙부 및 중첩부 모두 구근이 양호하게 관찰되어 Jet류에 의한 지반절삭 및 충진은 양호한 것으로 판단됐으나, GL-8.0m(모래층)이하로는 중앙부, 중첩부 모든 조사 시료에서 유로에 의한 부분적 공동이 다수 존재하고 있는 것이 확인됐다.

이는 조석의 영향으로(한강과 인접, 감조하천 영향으로 수위변화 2m 내외) 유속이 급변하는 등의 지형 및 수리적 영향이 복합 작용하여 Soil Cement가 양생되기 전에 유실된 것이 M-RJP 차수공의 차수불량 원인으로 판단됐다.

[그림 6] 굴착 진행시 piping 현상 발생-자유로 추진현장

■ 사례 또한 파천 발진기지에 시험 시공한 결과 급결제를 첨가하지 않은 M-RJP공법뿐 아니라 급결제를 첨가하고 시멘트량을 조절한 C-RJP(Chemical-Rodin Pile)공까지 적용했으나 회수율이 최대 60%로 차수공법으로 사용하기에는 부족한 것으로 나타났다. 고압분사 교반공법의 경우 절삭한 토사를 배토시켜야 하나 배토량이 거의 없는 양상을 볼 때 주입제가 제대로 경화되지 않는 것으로 판단이 가능했다.

3.4. 시트파일(+WATER JET 병용) 적용사례
강널말뚝은 널말뚝의 이음부를 물리게 하여 진동해머, Water Jet 등을 이용하여 지중에 타입하여 차수벽을 형성하는 공법으로 원자재가 불투성이고 품질관리가 간단한 특성을 가지고 있어, 토류벽, 차수벽 등 가시설 공법으로 많이 사용되는 공법이다.

시공경험이 풍부하고 신뢰도가 높으며 내구성이 우수하나, 시공항타시 자갈층 및 전석청 관립이 어렵고 지하매설물 주변시공이 불량하며 소음진동이 큰 것이 단점이다.

경험적으로 강널말뚝의 시공능력은 N치와 자갈·호박돌 크기에 따라 결정되며, 일반항타의 시공가능범위는 N<50이며, N>50이고 호박돌의 크기가 ø25㎝ 이하에서는 Water Jet 항타 또는 Auger 천공 후 항타로 시공이 가능하며, 호박돌이 크기가 ø25㎝ 이상인 지반에서는 Barber Drill, T-4 등의 장비로 천공 후 관입이 가능한 것으로 알려져 있다. 시공성 측면에서 볼 때 토층의 변화가 심하거나 사력층, 호박돌 층에서는 반드시 추가시추를 하고, 시험시공을 실시해 시공방법, 장비의 선정, 시공심도 등 변경을 최소화할 수 있게 해야 할 것이다.

자유로 추진현장의 경우 RJP 대체 차수공법 검토 시 현장조건이 하부 모래질 자갈층에 자갈함유량이 높고, 심도 또한 25m정도로 매우 깊어 S.C.W 및 C.I.P 공법의 적용은 무리가 있으며, 자갈크기가 ø10∼25㎝이므로 지하수 유량 및 유속이 큰 지반특성, 시공성, 차수효과 등을 감안할 때 Water Jetting을 이용한 Sheet-Pile공법이 가장 적합한 것으로 판단되어 적용했다.

그러나 파천구간의 경우에는 자갈의 심도가 10m이상으로 깊고 굵으며, 풍화암층에 삽입하는데 공사비 증가가 크고, 시공성이 확보되지 않아 적용이 불가했다. 이를 미루어 볼 때 Shee-Pile공법적용 지츨에 대한 한계점을 지을 수 있다.

 

자갈이 굵지 않은 경우에는 장비가 소규모이고 소음진동이 적어 도심지 주택지 등에도 시공이 가능하여 지하굴착 시 토류벽 공사에 많이 사용되고 있으나 연약한 지층에서는 천공Hole의 붕괴 및 지층의 팽창현상에 의해 일정한 구근이 형성되지 않고 slime이 발생되는 단점이 있다.

파천 발진, 도달기지의 경우에는 자갈이 25㎝ 이상이 다량 함유되어 있을 뿐 아니라 풍화암층이 깊어 시트파일 적용이 불가하여, CIP공법 적용시 가시설 깊이가 25m 정도로 깊어 이음부 대책과 수직도 확보 문제로 대구경 현장타설 말뚝(ø1000)을 고려하기도 했으나, 여의도 인근에 위치한 지하철 공사 현장 적용 사례를 반영하여 CIP(ø508)+SGR grouting공법 적용하는 것으로 최종 검토되어 이를 현장에서 시행했다.

지갈층이 깊고 굵음을 고려 당초 Auger를 사용하는 것과 T-4를 사용함에 논란이 있었으나 실제 현장에서 적용시 T-4를 사용하지 않았을 경우 현장적용이 불가하여 T-4를 사용하고, 심도유지를 위하여 608구경용 장비를 투입하였으며, 수직도를 깊이별로 체크하여 정밀도를 높임으로써 하부에 수직도가 어긋나 물길이 형성되지 않도록 시공에 만전을 기했다.

또한 주입공법으로 사용한 SGR공법은 주입공법의 일종으로 주입공법은 개량이 필요한 대상지반에 천공한 후 케이싱이나 Rod를 이용하여 응결재인 시멘트, 점토, 규산소다, 첨가물을 강제로 주입시켜 지반을 고결시키는 공법이다.

LW공법이 규산소다 수용액과 일반시멘트를 물과 혼합한 현탁액을 혼합시켜 지반에 주입하는 일반화된 공법으로 시공경험이 가장 풍부하고 임시치수나 지반강화 목적으로 사용되고 있으며, SGR공법은 A액과 자체 개발한 B액을 지반특성에 따라 적절한 비율로 혼합하여 겔 타입을 조절하고 지반의 침투성을 개선한 것으로 현장 특성에 따라 조절할 수 있는 공법이다. 약액주입공법 선정은 시공경험과 내구성 측면을 고려하여 선정시 현장여건을 감안한 깊이 있는 검토가 필요하다.

 

[그림 9] CIP(Cast In Pile) 공법

[그림 10] CIP+SGR 시공 상세도

4. 결 론
Sheet-pile공법은 벽체 강성과 시공 경험 경제적인 면에서 우수하고, 설치 후 차수벽 길이 조정이 필요할 경우 적용성이 가장 우수한 장점이 있으나, 조밀한 자갈층 및 호박돌 층에서는 관입이 어려워 제체 균열 또는 이완이 예상될 뿐 아니라 Water Jet이나 T-4 등을 동반하여 시공하여야 하므로 시공성이 낮아 이에 대한 경제성 및 시공성에 대한 면밀한 검토가 필요하다.

심층혼합처리공법은 비교적 단단한 고결체를 만들 수 있으며 차수효과도 양호하나 단단한 자갈 및 호박돌 층에서는 시공능력이 급격히 떨어지는 단점을 갖고 있다. 한강 하저터널 도달기지에 적용한 가장 널리 쓰이는 SCW(SMW)공법의 경우 Auger 천공 후 상하 교반방법으로 사력층과 역질 및 호박돌 층이 혼재되어 있을 경우 교반되는 과정에서 중량이 가벼운 모래와 입자가 작은 자갈은 상부로 올라오고 무겁고 입자가 큰 자갈과 호박돌은 아래로 내려가면서 재료분리 형상이 발생할 수 있으며, 조밀한 호박돌 층에서 3축 시공이 곤란한 면이 있어 이에 주의해야 한다고 보고된다.

주입공법은 조밀한 사력층에서도 시공이 가능하나 용탈에 대한 내구성에 문제가 있는 것으로 보고되고 있으며, 지하수가 발달한 사력층에서 구근형성이 되지 않는 사례가 있어 공법적용에 있어 사려 깊은 검토가 필요하다고 하겠다.

지중연속벽 공법은 시공 후 차수성에 대한 신뢰도가 가장 우수하나 장비가 대형이고 공사비가 고가이므로 적용에 어려움이 있고, N치가 낮은 사질토층이나 자갈크기가 큰 사력토 층에서 공벽 붕괴의 가능성 및 자갈 쏠림현상이 있어 공벽 안정성에 대한 사전 구조검토가 필수적이다.

일반적으로 치수공법이 갖추어야 할 특성인 차수성, 내구성, 시공성, 경제성, 환경성 등에서 볼 때 차수성은 같은 공법이라도 토질에 따라 달라질 수 있어 토질특성에 따른 차수공법의 선정이 필요하며, 내구성은 Sheet-pile, 지중연속벽, 고압분사, 심층혼합, 주입공법 순으로 우수하다. 시공성은 사력 및 호박돌 층에서 볼 때 주입공법, 고압분사 교반, 지중연속, 심층혼합, Sheet-pile 순으로 볼 수 있다.

치수공법 선정은 제반여건을 종합적으로 고려하여 최적 공법을 선정하여야 하며, 공법선정은 각가의 현장특성과 조건이 다르고 공법별 고유특성이 달라 공법선정에 어려움이 많으므로, 설계시 공법선정을 위해 필요할 경우 시험시공비를 설계비에 반영하고 차수공 설치가 필요하다고 선정된 구간은 추가 토질조사를 실시하여 시공 시 심도 및 공법변경이 최소화 되도록 설계단계에서의 종합적인 검토가 필요하다고 본다.

한강하류 급수체계 구축 1차 사업의 한강 지하터널을 포함한 도수시설 구간이 한강변에 시공됨에 따라 차수공법 적용 및 개선사례를 차수공법의 특성 및 분류와 실제 시공사례를 비교 검토한 본 논고가 향후 차수공법 설계 및 시공시 참고자료로 활용되어 시행착오를 최소화할 수 있길 기대한다.