세미실드(SEMI-SHIELD)공법 부산시 장림하수처리장(2단계)건설 차집관로 시공사례

[최현기]

1. 공사개요

1.1 공사배경

사회가 발전하고 점점 도시화가 진행됨에 따라 철도, 도로, 상하수도, 가스, 도수로, 전기통신구 등 공공 서비스 시설의 급격한 증강, 정비가 필요한 가운데 환경보전, 안전성 및 경제적인 측면뿐만 아니라 교통량이 많은 대도시의 중심이나 교통량이 많은 대도시의 중심이나 교통량은 적으나 대단히 좁은 도로망의 건설공사로 인한 문제점을 최소화하면서 자연 그대로의 상태로 지표면에 직접 영향을 미치지 않으면서 지하공간을 확보하기 위한 목적으로 개발된 공법으로 현재 일본 및 구미각국에서 신 공법으로 널리 사용되고 있으며 국내에서는 본 공법의 필요성은 점차 높아지고 있다.

2. 설계 및 시공

2.1 추진공법의 개념

본 공법은 모래, 자갈 등을 포함하는 연약지반에서 도시기반 시설을 위한 지하공간의 확보를 위해 종래 개착식 공법으로 시공시 발생하는 소음, 분진, 지반침하 및 교통장애 등의 문제점을 최소화 하기위해 개발된 공법으로서 많은 시행착오를 거쳐 과거에는 시공 불가능하였던 전석층 및 암반층 굴착도 가능하게 되었으며 현재는 굴진작업의 전자동화 등 신기술 개발에 주력하고 있는 상태이다.

본 세미실드공법은 세미실드기라는 강제 원통형의 굴착기계를 수직작업구 내에 투입, 설치하여 기계선단부에 장착되어 있는 굴착용 cutter head를 회전시키면서 지반을 굴착하고 굴착된 순간의 막장면은 이수를 주입하여 막장면의 붕괴를 방지하면서 세미실드기 후방부의 추진관을 유압재크로 압입, 추진시키면서 설치하는 것을 반복하는 작업으로 터널을 굴착하는 공법이다.

또한 굴진토층이나 굴착 후 발생이 예견될 수 있는 지표면의 침하는 각종 보조공법 (활재 및 뒷채움 그라우팅 등)으로 침하를 방지하고 있다(그림-1 추진공법 계통도).

본 공법은 크게 토압식 (Earth Pressure Balance Shield)과 이수가압식 (Slurry)으로 대별된다. 토압식은 screw conveyor system을 이용하여 굴착토를 배토하는 방식이며 이수가압식은 이수액을 굴착도중 막장면에 주입하여 상부토압과 밸런스를 유지하며 배토되는 토사를 이수와 혼합하여 파이프라인으로 배출하는 방식이다. 토압식은 지하수위가 형성된 곳에서는 적합하지 않아서 최근에는 무인 콘트롤 시스템으로 운영될 수 있는 이수가압식을 선호하는 경향이다.

2.2 세미실드기 시공 플로우 차트

시공 플로우 차트는 표-1과 같다.

2.3 세미실드공법의 장단점

세미실드공법을 실제 공사에 활용해 보면서 느끼게 된 것으로 다음과 같은 장단점을 들 수 있다.

2.3.1 장점

(1) 굴착과 동시에 유압재크로 추진관을 압입추진방식으로 설치하므로 토층의 붕괴우려가 없다.

(2) 시공 중 교통장애, 소음, 분진 등의 각종 건설 및 환경공해가 거의 없다.

(3) 별도의 보조공법이 없이 연약지반을 용이하게 통과할 수 있다.

(4) 다른 공법에 비해 공기를 단축할 수 있다.

(5) 토질변화에 즉시 대응할 수 있어서 안정적이다.

(6) 반복작업으로 시공관리가 용이하며 작업원이 적고 원격조작이 되므로 안전사고의 위험이 덜하다.

(7) 작업구 및 관의 외경단면만 굴착되므로 잔토량이 적다.

2.3.2 단점

(1) 굴곡선이나 급구배의 시공이 곤란하다.

(2) 토피가 얇으면 막장면의 안정 및 지반침하 가능성에 대비한 보조공법이 병행되어야 하므로 비경제적이다.

(3) 시공중 단면의 확대와 축소가 불가능하다.

(4) 장비구입가격이 비싸므로 초기투자가 많다.

(5) 초장거리 시공이 어렵다.

2.4 세미실드공법의 시공사례(泥水加共型)

2.4.1 공사개요

(1) 공사명 : OO시 OO하수 처리장(2단계) 건설 차집관로 1공구 공사

(2) 발주처 : OO직할시

(3) 시공장소 : OO시 O구 OO

(4) 공사기간 : 1992. 12. 31-1994 .8. 31 (20개월)

(5) 시공자 : OOOO건설(주), 한국 O.O.O(주)

(6) 목적 : 공공 하수도

(7) 구경 : 관 내경 1,800mm

(8) 연장 : 2,600m

(9) 작업구 : 발진작업구 11개소, 도달작업구 13개소

2.4.2 토질조건

본 현장은 도로변에 위치하여 낙동강에 인접하고 있으며 표층은 매립토, 하부층은 점토, 실트, 및 세사층으로 구성, 분포되어 있으며 지하수위는 평균 -1.0m정도로서 인접한 낙동강 수위의 영향을 받고 있는 상태이다.

2.4.3 시공환경조건

본 공사구간은 OO시 O구 OO동에서 OO동을 거쳐 OO까지 연결되는 OO시의 주 도로인 교통소통량이 대단히 많은 OO강 산업도로를 따라 시공하게 되어 있다.

이에 따라 종래의 개착식 공법으로는 엄청난 교통혼잡을 불러 일으키고 먼지비산, 소음 등 주민 생활에 막대한 불편이나 민원을 야기시킬 우려가 있으므로 지질조건 및 암거설치 조건 등을 고려한 결과 OO시는 비개착식 공법인 세미실드 공법이 가장 적절한 공법인 것으로 판단하였다.

2.4.4 작업구와 지압벽

(1) 발진 작업구 : 폭 4.5-5.0m × 길이 8m

(2) 도달 작업구 : 폭 4.0m × 길이 6.5m

(3) 토 류 공 : 차수를 겸하여 JSP공법으로 2열 시공 (C.T.C. 0.6m) 하였으며 H-pile은 1.7m 간격으로 JSP기둥 안쪽에 압입시공하였음.

(4) 굴착 방법 : 0.8㎥ 및 0.2㎥ 백호우를 이용하였으며 모서리 부분은 인력으로 작업

(5) 지 압 벽 : 폭 4.5-5.0m × 높이 4m × 두께 1.0m (유근)

2.4.5 추진설비

(1) 세미실드기 : 외경 2,150mm

(2) 추진 설비 : 3단 main jack (200ton × 3,000mm st. × 6기)

(3) 이수 펌프 : 37KW × 1대, 55kw × 1대

(4) 슬러리 플랜트 : USD-4 SAND DEHYDER (210㎥) × 1대

(5) 동력 설비 : 350KW 저소음 발전기 × 2대

(6) 송, 배니관 : Ø150mm

(7) 크레인 설비 : 28통 유압 크레인 × 1대

2.4.6 추진력

본 현장에서 기 시공된 1 스판의 추진력은 표-1과 같다.

2.4.7 활재(滑材)

활재는 추진관과 토층 사이에 작용하는 마찰력을 완화시키는 역할을 하는 것으로 추진관 내부에 기 제작된 뒷채움재 주입공을 통해 수시로 주입한다.

1회 투입량은 평균 400ℓ이며 당 현장에서는 일본 RASA의 NEW BIOS를 사용하고 있다.

활재의 배합기준은 표-2와 같다.

2.4.8 추진관

당 현장에서 사용하는 추진관의 규격은 다음과 같다.

(1) 일본 JIS 및 JAWAS규격품 (동아건설 부산공장 제품)

(2) 일축 압축강도 : 700kg/㎠

(3) 규격 : 외경 2,120mm, 내경 1,800mm, 길이 2,430mm

2.4.9 뒷채움재

뒷채움재 그라우팅은 세미실드기의 굴착단면이 2,170mm, 추진관의 외경이 2,120mm로써 약 50mm의 클리어런스가 발생하는 부분, 즉 추진관과 지층 사이의 공극을 채워주는 것으로 본 세미실드 공법의 시공관리 중 지표침하를 방지하기 위하여 실시되는 중요한 공종이다.

본 현장의 뒷채움재 및 그 배합기준은 표-3과 같다.

2.4.10 이수관리

본 현장은 이수가압식 세미실드공법을 채택하고 있으므로 이수는 막장면의 붕괴를 방지해 주는 중요한 역할을 하고 있다.

이수 파이프라인 시스템은 송니(送泥)관과 배니(排尼)관으로 구성된다. 굴착시 송니관을 통하여 이수 (벤토나이트+물+CMC)를 보내며 이 때의 압력은 자연수압보다 0.1-0.2kg/㎠ 정도 높은 상태를 유지한다.

굴착된 토사는 기존 이수와 섞어서 배니관을 통하여 지표상에 설치되어 있는 SAND DEHYDER로 유입되어 이수와 탈수된 토사로 분리된다. 이때의 이수는 점성 및 비중을 다시 조정하여 (점성:25-30초, 비중 1.2내외) 재순환되며 탈수된 토사는 덤프트럭으로 옮겨져 사토장으로 반출된다.

2.4.11 보조공법

본 현장에서는 별도의 보조공법은 시행하지 않고 있으나 다 작업구의 발진부 반력벽 부분 및 도달부에 차수와 토사의 유실 등을 방지하기 위하여 JSP공법으로 지반개량을 행하였다.

2.4.12 시공관리

본 공사지역이 시도(市道)상에 있으므로 지하매설물 등에 대해서는 관계부서와 충분히 협의하였으며 교통통제는 사전에 경찰서와 협의, 시행하였다.

JSP공법의 시공관리는 실드, 토출량, 주입압력, 주입시간 등을 현장관리자가 상주하면서 체크하였다.

추진작업은 주야 2교대 작업을 시행하였으며 추진관 1본을 설치할 때 마다 레이저 트랜시트로 센터측량을 실시하였다.

이수의 비중과 점성은 1일 4회 측정하였다.

추진작업은 추진시 송/배니, 펌프의 RPM상태, 컷터헤드의 토르크, 이수압, 토압, 3단 메인 재크의 공력(空力) 및 추진속도, 굴진소요시간 등을 상시 체크하였다.

측량은 지상과 갱내에서 1일 2회 실시하였으며 지상에서는 지표변위 관찰, 갱내에서는 INV, LEVEL 및 방향측량을 실시하였다.

뒷채움은 추진관의 주입공에 압력을 조정하면서 전체에 균등하게 주입되도록 시공하였으며 주입 후 유출되지 않도록 사전에 주입공마다 체크 밸브를 부착시켰다.

도로침하 및 인접건물의 피해를 최소화하기 위해 지표 및 지중 침하계 등의 계측기를 설치하여 계측관리를 시행하고 있다.

3. 결론 및 전망

해당 없음.

4. 기타

해당 없음.

5. 첨부

해당 없음.

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감사해요

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