최근 고층 건물의 지하공간이나 지하복합상가 같은 지하구조물의 규모와 활용이 증대되고 있다. 지하구조물 건설의 기초는 지하를 파내는 굴착 공사와 토압에 의한 지반 침하를 막기 위한 흙막이 가설구조 공사로 이루어 진다. 흙막이 가설구조 설계에서 중요하게 고려해야 할 사항은 안전과 굴착 용이성이다. 일반적인 대형 흙막이 가설구조는 흙막이 벽체와 철골구조가 토압을 막고 있는 형태로 사고 발생시 철골 구조물이 한꺼번에 무너지면서 대형 사고로 확대될 수 있기 때문에 안전을 최우선으로 해야 한다. 흙막이 가설구조 설계는 지반 모델에 따른 토압 예측값을 이용하지만 지반이 균질하지 않거나 지하수위 변화에 따라 실제 토압은 모델의 예상값과 크게 다를 수 있다. 그러므로 토압에 의해 흙막이 가설구조가 받는 하중과 구조물의 변형을 계측하고 이에 대응할 수 있는 시스템이 필요하다. 흙막이 공사의 계측 관리를 위한 유비 쿼터스 시스템 구축에 대한 연구와 통합 계측 관리 시스템을 개인 단말기를 통하여 확인할 수 있는 시스템에 대한 연구가 있었으나, 이 연구들은 계측 시스템 자체 구축에 대한 연구로 하중 변화에 따른 대응을 다루지는 않았다.^1,2 최근에는 흙막이 가설구조와 같은 토목 분야에 광학 센서를 적용하는 연구들이 활발하게 진행되고 있으나 이 또한 계측시스템 자체에 대한 연구만 다루었다.³

지하 구조물의 기초 공사는 굴착과 흙막이 가설구조 공사가 반복적으로 연속하여 일어나기 때문에 흙막이 가설구조 공사는 굴착 용이성을 고려하여야 한다. 즉, 일정 굴착 후에 지반 침하가 되지 않도록 흙막이 구조물을 설치하고 설치한 흙막이 구조물 사이로 굴착 공사가 다시 반복된다. 흙막이 구조물이 굴착공간에 많을수록 간섭에 의하여 굴착 용이성이 떨어진다. 강재 버팀보 공법은 가장 많이 적용되는 흙막이 공법으로 다양한 환경에 적용할 수 있고 신뢰도가 높으나 많은 버팀보로 인해서 굴착 간섭이 크다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하는 대표적인 공법에는 앵커를 이용하거나 띠장의 선행 굽힘 하중을 이용하는 방법이 있다. 앵커를 이용하는 방법은 버팀보 대신 굴착 배면 지반 안에 앵커를 정착시켜서 흙막이 벽체를 지지하는 공법으로 굴착공간이 넓은 장점이 있다. 그러나 앵커 정착을 위한 견고한 지반이 필요하고 기술 의존도가 높아서 품질이 균일하지 못하고 도심 굴착의 경우 앵커의 위치가 사유지를 침범할 수 있다는 단점이 있다.⁴ 강선에 긴장력을 발생시켜 띠장의 선행 굽힘 하중을 이용하는 방법에는 IPS 공법,^5-8 PS-S⁹ 공법, ROSE 공법^10,11 등이 있다. 이 공법들은 강선의 긴장력을 통해 띠장에 선행 굽힘하중 작용하여 토압에 의해 발생되는 굽힘 모멘트를 상쇄시킴으로써 버팀보의 수를 줄일 수 있다. 이 공법들은 모두 다수의 현장 적용을 통하여 신뢰성을 검증받았다. IPS 공법은 흙막이 벽체와 수직하는 방향으로의 트러스 구조로 인하여 나머지 공법에 비해 띠장의 구조가 상대적으로 복잡하고 공간을 많이 차지한다. ROSE 공법은 선행 굽힘 하중을 발생시키기 위한 유압 실린더를 여러 개 동시에 제어해야 한다는 단점이 있다. PS-S 공법은 독자적인 사각 강관과 로드셀 등의 일반적인 버팀보 공법에서 추가적인 부재가 필요하다.

본 논문에서 제시하는 PS 싱크로나이즈(Pre-Stress Synchronize) 공법은 흙막이 가설구조가 받는 하중과 구조물의 변형을 계측하고 유압 제어 시스템을 통하여 선행 굽힘 하중을 발생시켜 구조물이 안전 범위 내에 있도록 한다. 기존 공법들과 비교하였을 때 기존의 IPS나 ROSE 띠장보다 구조가 간단하고 유압 실린더를 한 개만 사용하여 선행 굽힘 하중을 발생시킬 수 있다. PS-S 공법과는 달리 기존의 버팀보 공법의 부재들을 그대로 사용할 수 있다. 본 논문의 2장에서는 PS 싱크로나이즈 띠장의 기본 개념을 설명하고, 3장에서는 와이어 로프의 장력 증가에 따른 띠장의 처짐 실험을 수행하였다. 4장에서는 선행 하중이 발생된 상태에서 토압을 모사하는 하중을 가하였을 때의 띠장의 거동을 실험하였고 5장은 논문의 결론을 나타낸다.

흙막이 가설구조에서 가장 많이 사용되는 시공방법인 강재 버팀보 공법은 지반조건에 상관없이 범용적으로 사용할 수 있고 설치와 철거가 용이하며 많은 시공 횟수로 신뢰도가 높지만 굴착 면적이 넓은 경우 지보재 증가에 따른 원가 상승과 굴착 시 지보재에 의한 굴착 간섭이 크다는 단점이 있다.⁴ Fig. 1은 강재 버팀보 공법에서 주로 사용하는 엄지말뚝(Soldier Pile) 벽에 선행 굽힘 하중을 발생시킨 PS 싱크로나이즈 흙막이 띠장을 적용한 예시이다. 엄지말뚝 벽을 PS 싱크로나이즈 띠장이 지보하고 각 PS 싱크로나이즈 띠장 사이로 사보강재(Bracing)를 포함한 버팀보(Strut)가 하중을 지지한다. 기존 강재 버팀보 공법에서는 토압에 의한 수평 방향 하중을 지지하기 위하여 띠장 중간에 여러 개의 버팀보가 필요하다. PS 싱크로나이즈 띠장은 유압 실린더(Hydraulic Cylinder)의 제어를 통해 선행 굽힘 하중을 발생시켜 기존의 버팀보가 지지하던 수평 방향 하중을 상쇄시킴으로써 버팀보의 수를 줄일 수 있다. 버팀보의 수가 줄어들수록 버팀보에 의한 굴착 간섭이 줄어 대형 굴착기의 사용이 가능하고 원가절감과 공기 단축의 장점이 있다.

Fig. 1 
Concept of the PS synchronize wales with soldier piles

Fig. 2(a)은 PS 싱크로나이즈 띠장의 구성을 나타낸다. PS 싱크로나이즈 띠장은 주띠장(Main Wale)에 고정 띠장(Fixed Wale)과 이동 띠장(Moving Wale)이 결합되는 합성 띠장이다. 와이어 로프(Wire Rope)가 이동 띠장과 고정 띠장 양 끝의 정착구(Anchorage)에 고정되어 있는 상태에서 유압 실린더의 펌프를 제어하여 이동 띠장을 길이 방향으로 밀어낸다. 이를 통해 와이어 로프의 장력에 의한 선행 굽힘 하중이 발생되는 원리이다. 이렇게 발생되는 선행 굽힘 하중은 토압에 의한 굽힘 하중과는 반대방향으로 작용하여 이를 상쇄시킨다. 띠장에 발생되는 굽힘하중의 정도는 선형 변위계(Linear Gauge)를 통해 계측하고 와이어 로프의 장력은 진동현 장력계(Strandmeter)를 이용하여 계측한다. 계측 값을 바탕으로 띠장의 수평방향 처짐이 안전 범위 내에 있도록 유압 펌프(Hydraulic Pump)를 통한 유압 실린더 힘을 제어한다. 센서의 계측과 유압 실린더의 제어는 NI CompactRIO의 측정 모듈(Measurement Module)과 제어 모듈(Control Module)을 통해 이루어지고 사용자는 호스트 PC (Host PC)를 통해 흙막이 가설구조의 모든 띠장의 현재 상태를 관찰하여 알람을 받고 제어할 수 있다.

Fig. 2 
PS synchronize wale

Fig. 2(b)는 유압 실린더와 이동 띠장을 상세하게 나타낸다. 이동 띠장의 주띠장과의 연결구는 장공(Slotted Hole)으로 가공하여 유압 실린더에 의한 힘 발생 시 이동 띠장이 길이 방향으로만 움직일 수 있다. 와이어 로프가 이동 띠장과 고정띠장의 양 끝으로 정착구에 의하여 고정되어 있기 때문에 이동 띠장이 바깥 방향으로 움직임에 따라 와이어 로프의 장력이 증가하여 선행 굽힘 하중이 발생하게 된다. 발생된 선행 하중을 유지하기 위하여 고장력볼트(High Strength Hex Bolt)와 스크류잭(Screw Jack)을 체결하면 유압 실린더를 제거할 수 있다. 유압 실린더는 사용 후 제거했다가 재사용 할 수 있기 때문에 기존의 매립형 띠장보다 원가 절감의 장점이 있다.

Fig. 3은 PS 싱크로나이즈 띠장의 선행 굽힘 하중에 의한 토압 굽힘 하중을 상쇄시키는 원리와 과정이다.

Fig. 3 
Procedure of canceling out earth pressure

(1) 선행 굽힘 하중(Bending Moment By Pre-Stress)을 설계값에 따라 발생시킨 띠장을 토압(Soil Pressure)이 분포하중으로 작용하고 있는 벽체(Wall)에 설치한다.

(2) 토압에 의한 분포하중은 엄지말뚝에 의한 집중하중(Concentrated Load)으로 치환할 수 있다. 엄지말뚝이 띠장에 작용하는 집중하중에 의하여 띠장은 굽힘 하중을 받게 되고 이는 선행 굽힘 하중에 의하여 상쇄가 된다.

(3) 가설 시설의 공사 진행에 따라 토압이 설계값을 벗어나게 되면 선형 변위 센서에 의하여 수평 방향 처짐 계측값이 안전기준치를 넘어가게 된다. 유압 펌프의 제어를 통하여 유압 실린더가 이동 띠장에 힘을 발생시키면 이동 띠장이 와이어 로프를 길이 방향으로 당기게 된다. 이에 따라 선행 굽힘 모멘트가 증가하게 되고 설계 기준치를 벗어난 토압을 상쇄시킨다.

(4) 선행 굽힘 모멘트가 발생된 상태를 고정하기 위하여 이동 띠장의 고장력 볼트(High Strength Bolt)를 체결하고 스크류잭의 너트를 잠근다.

흙막이 가설구조에서 굴착 깊이나 주변 상황의 변화에 따라 토압이 변화하고 그에 따라 띠장에 작용하는 굽힘하중도 변화한다. PS 싱크로나이즈 흙막이 공법은 띠장에 가해지는 굽힘 모멘트의 안전치를 띠장의 수평방향 처짐으로 설정한다. 즉, 띠장에 작용하는 가장 주요한 하중은 굽힘 하중이므로 이를 선형 변위계를 이용하여 실시간 주기적으로 계측을 하고 수평 처짐이 안전 범위를 벗어나게 되면 유압 실린더의 제어를 통한 선행 굽힘 하중을 발생시켜 띠장이 받는 굽힘 모멘트가 안전 범위내에 있도록 한다.

PS 싱크로나이즈 띠장은 토압 변화에 따른 띠장의 처짐을 계측하고 유압 실린더의 제어를 통해 처짐이 안전 범위 내에 있도록 함으로써 흙막이 가설구조 시공에서 외부의 환경 변화에 대처가 가능하면서 굴착 용이성을 높일 수 있다. 띠장의 장력 변화에 따른 처짐량과 토압을 모사하는 UTM 하중에 대한 선행 굽힘 하중의 상쇄 효과를 실험을 통해 검증하였다. 현재 PS 싱크로나이즈 띠장은 굴착 현장에서의 테스트베드 실험 중에 있으며 기존 공법들보다 안전하고 효율적인 공법이 될 것으로 기대된다.