흙막이  가시설(IPS공법) 공사

현장 적용 사례

	한 국 산 업 안 전 공 단

목         차

1. IPS 공법의 개요

1.1 IPS 공법의 정의

1.2 IPS 공법의 개념도

1.3 IPS 공법의 기본 개념

1.4 IPS 공법의 특성

1.5 IPS 공법의 적용

1.6 IPS 공법의 설계 절차

2. 현장 여건에 의한 검토

2.1 현장 개요

2.2 검토 내용

3. IPS 적용시 경제성 분석

3.1 공법 비교

4. 종합 결과

5. 현장 설치 전경

1. IPS 공법의 개요

1.1 IPS 공법의 정의

제 1 장 IPS 공법의 개요

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흙막이 가시설은 지하구조물을 건설하기 위한 지반 굴착시 지반의 붕괴를 막기 위하여 굴착된 지반을 지지하는 임시구조물로서 토목공사에서는 지하철, 관로 및 대형 지하구조물의 건설을 위한 굴착 시공 등에 많이 이용되며 건축공사에서도 대형 빌딩구조물의 건설을 위한 굴착 시공과정에서 활용되고 있다.

기존 흙막이 가시설 공법에는 일반 강재를 이용한 H 파일 공법, 앵커를 이용한 공법, 굴착지반을 지지한 버팀보에 직접 축력을 가하는 선행하중 공법, 띠장에 프리스트레스를 가하는 공법, 트러스 형태의 띠장을 활용하는 공법 등이 있으나 위의 공법들을 활용할 경우, 버팀보를 2-3 m 이내의 간격으로 촘촘히 설치하여야 하기 때문에 작업공간이 협소하며 막장에서의 중장비 사용이 불편하고 앵커를 활용할 경우, 도심지 굴착에서 사유지 침범 및 지장물의 파손을 초래할 수도 있는 문제점들을 안고 있다. 또한 수많은 버팀보의 비효율적 사용으로 인한 비경제성과 굴착지반의 침하로 인한 인근 구조물의 안정성 우려 등이 문제점들로 남아 있다. 그래서 이러한 문제점들을 해결하기 위한 효율적이고 안정적인 흙막이 가시설 공법 및 설계지침의 마련이 절실한 실정이다.

IPS(Innovative Prestressed Scaffolding) 흙막이 공법은 기존의 흙막이 가시설의 문제점들을 새롭게 개선한 공법으로서 위 공법은 H-Beam 받침대, 띠장과 강선으로 구성된 IPS 시스템을 흙막이 벽체에 거치하고 강선에 긴장력을 가하여 굴착으로 인한 토압을 지지하는 방법이다. IPS 흙막이 공법의 특징은 굴착지반에 가해지는 프리스트레스를 통하여 버팀보의 간격을 기존보다 수 배에서 십 여배까지 늘릴 수 있으며 버팀보의 설치 수를 대폭 줄임으로써 보다 넓은 작업공간을 제공한다. 월등히 개선된 작업여건과 획기적인 강재의 절감으로 인하여 효율적이고 경제적인 흙막이 공사를 수행할 수 있으며 흙막이 구조물에 도입되는 강선의 긴장력은 지반굴착으로 인한 벽체의 변형을 억제할 수 있어 도심지 대심도 굴착 등 지하공간 건설에 따른 인접구조물의 영향을 최소화하여 흙막이 공사의 안정성을 개선시킨다.

1.2 IPS 공법의 개념도

다음의 그림에는 IPS 공법을 개념도로서 표현하였다.

IPS 공법 적용

STRUT 공법 적용

1.3 IPS 공법의 기본 개념

띠장과 버팀 보의 단면력을 이용하여 굴착지반의 토압을 지지하는 기존 흙막이 공법과는 달리 IPS 흙막이 공법은 H 형강 받침대, 띠장과 강선으로 구성된 IPS 시스템과 강선에 가해지는 긴장력을 이용하여 토압을 지지하는 새로운 개념의 흙막이 방법이다. IPS 흙막이 공법의 기본개념은 다음과 같다. 기존의 버팀보를 이용한 흙막이 가시설 공법은 굴착지반의 토압을 지지하기 위하여 5개의 버팀보를 이용하였다. 그러나 IPS 흙막이 가시설 공법은 띠장에 받침대를 위치시키고 강선이 받침대를 지나게 한 후 강선에 긴장력을 유발시켜 지반굴착으로 인하여 발생하는 토압을 지지하도록 한다. IPS 흙막이 가시설 공법은 지반의 굴착규모에 따라 받침대의 높이와 강선의 긴장력을 조절할 수 있으며 이미 시공된 흙막이 가시설 현장에서도 추가적인 토압 유발시 강선의 긴장력을 증가시켜 줌으로써 토압을 지지할 수 있다. 또한 굴착지반에 선행하중을 작용시킴으로써 지반 침하를 방지할 수 있어서 도심지의 구조물 인접 공사에 유리하며 토압 지지를 위하여 버팀보 대신 받침대와 강선이 사용되기 때문에 굴착 공사시 작업공간이 넓어진다. 이로 인하여 굴착작업이 효율적이며 경제적으로 이루어질 수 있다(AISC, 1989 ; Chajes, 1974 ; Nilson, 1978 ; Salmon & Johnson, 1997 ; Troitsky, 1990 ; Gimsing, 1997 ; PCI, 1997 ; Timoshenko & Gere, 1961 ; Lin & Burbs, 1981).

IPS 흙막이 가시설의 기본원리

1.4 IPS 공법의 특성

기존의 지반의 굴착시공 과정에서 발생하는 여러 문제점들을 개선한 IPS 흙막이 공법은 지하공간 활용을 위한 토목 및 건축의 굴착현장에서 널리 사용될 수 있는 경제성과 효율성을 확보한 공법이다. IPS 흙막이 공법의 특성을 잘 활용하여 현장에 적용한다면 굴착시공 중에 유발되는 문제점들을 해결할 수 있을 것이다. 혁신적인 프리스트레스 가시설 흙막이 공법의 특성을 알아보면 다음과 같다.

1) 버팀 굴착에서의 촘촘한 버팀 보 사용이 없어지고, 작업공간의 확보가 이루어진다.

2) 넓어진 지하 공간으로 인하여 작업효율성이 증가한다.

3) 내부 가 시설 부재 사이의 공간이 넓어져서 굴착작업이 쉬어진다.

4) 각종 건설장비의 유ㆍ출입이 편해진다.

5) 본 구조물 시공시 철근 배근과 거푸집 작업이 매우 용이하다

6) 촘촘히 배치된 버팀 보와 중간말뚝으로 인하여 발생하는 수많은 구멍들을 완전히 제거할 수 있어서 본 구조물의 내구성이 대폭 증대된다.

7) 작업효율성의 확보로 공기가 단축된다.

8) 공기단축으로 인한 비용절감이 이루어진다.

9) 버팀 보 사용물량의 감소로 비용절감이 이루어진다.

10) 긴장력을 활용하여 굴착으로 인한 지반 벽체의 변형을 억제할 수 있다.

1.5 IPS 공법의 적용

IPS 시스템과 강선에 가해지는 긴장력을 이용하여 토압을 지지하는 새로운 개념의 IPS 흙막이 공법은 월등히 개선된 작업여건과 획기적인 강재 절감을 통하여 경제적이고 효율적인 흙막이 공사를 유도할 수 있어 토목 및 건축현장에서의 폭넓은 적용이 가능하며 기존 흙막이 공법에 비해 개선된 시공성과 효율성을 가지고 있다. 기존 흙막이 공법이 적용된 토목현장에서 굴착 연장이 길고 버팀 보의 사용물량이 많은 지하철이나 관로공사의 경우에서는 2-3 m 간격으로 설치된 버팀 보로 인하여 굴착작업을 위한 작업공간의 확보가 어려우며 수많은 버팀 보를 설치하는데 소요되는 작업시간은 공사의 효율을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다. 기존 흙막이 공법이 적용된 건축현장의 경우에서도 도심의 고층빌딩이나 대형 지하공간을 위한 대심도 굴착시 겹겹이 설치되는 많은 버팀 보로 인하여 굴착작업의 효율성이 떨어질 수 있으며 굴착면적이 넓은 현장에서는 굴착지반을 지지하기 위한 버팀 보의 설치가 곤란할 수 있다. 또한 앵커를 시공해야 하는 도심지 굴착 현장에서는 지중 매설물의 손상 및 사유지 침범이라는 문제를 발생시킬 수도 있다. IPS 흙막이 공법은 토목 및 건축현장에서 발생되는 이러한 개선점들을 충분히 만족시킬 수 있는 굴착공법이다. IPS 흙막이 공법의 구체적인 적용대상 및 예는 다음과 같다.

1) 버팀굴착이 수행되는 지하철 공사에서 빈번한 버팀 보의 설치로 인하여 발생하는 작업효율의 감소를 개선하고자 할 경우

2) 지하철 공사 중 강재의 사용물량을 줄여 경제성을 개선하고자 할 경우

3) 굴착 연장이 긴 지하철 및 관로 공사에서 사용강재의 회수율을 높여 경제성을 개선하고자 할 경우

4) 굴착 폭이 넓은 토목 및 건축현장에서 굴착지반을 버팀 보로 지지하기 곤란한 경우

5) 지중 매설물의 손상이나 사유지 침범이 불가능한 토목 및 건축현장의 굴착작업 수행시

6) 지반굴착으로 인한 지반변형으로 인하여 인근 구조물의 피해가 예상되는 도심지 굴착의 경우

7) 앵커시공이 필요한 굴착현장에서 지하수의 영향으로 앵커시공이 곤란할 경우

8) 지하철 Box 구조물 설치시, 앵커시공이 불가능할 경우

9) 기타 공기단축 및 비용절감이 요구되는 토목 및 건축현장의 경우

1.6 IPS 공법의 설계 절차

굴착지반에 프리스트레스를 도입하여 토압을 지지하는 새로운 개념의 IPS 흙막이 공법의 설계절차는 다음과 같다. 먼저 현장조건, 지반조건 및 굴착규모에 따른 IPS 흙막이 공법을 선정한다. 현장조건에 부합되는 IPS 흙막이 공법이 선정되면 지반조사 내용을 근거로 하여 굴착지반의 설계토압(Terzaghi & Peck, 1967 ; FHWA, 1999)을 산정하고 IPS 흙막이 가시설의 설계를 실시한다. 지반조건 및 지하수조건을 고려하여 겉보기 토압을 산정하고 겉보기 토압에 따른 버팀 보의 설계하중과 선행하중을 산정한다. 선행하중은 버팀 보 설계하중의 약 70%로 결정한다. 산정된 설계하중을 근거로 하여 IPS 흙막이 토류벽, IPS 버팀 보 및 IPS 띠장의 단면을 결정하고 IPS 흙막이 토류벽의 근입 깊이를 산정한다. 또한 탄소성 보해석(Haliburton, 1968 ; Pfister et al., 1982 ; Briaud & Kim, 1998)을 수행하여 굴착지반의 토압으로 인하여 유발된 휨 모멘트, 전단력, 버팀 보 및 띠장 축력에 대한 설계 단면의 검토를 실시하며 필요시 IPS 시스템의 부재에 대한 국부적인 상세 해석을 수행한다. 그림 5는 IPS 흙막이 공법의 설계절차를 나타내는 흐름도이다.

IPS 흙막이 공법의 설계절차

2. 현장 여건에 따른 검토

제 2 장 현장 여건에 따른 검토

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2.1 현장 개요

공사명	안양시 호계동 호계 oo 타운 신축공사
공사 개요	대지 위치	경기도 안양시 호계동
	대지주변상황	동 측 : 8M 도로
		서 측 : 10M 도로
		남 측 : 30M 도로
		북 측 : 인접 건물
	굴착 규모	면적 : 1985.50 M2,
		깊이 : G.L(-)8.30 ~ 11.90m (H=8.30 ~ 11.90m)
	가시설 공법 (기존)	CIP + H-PILE, STRUT 공법
현장 도면

2.2 검토 내용

안양 호계동 현장은 상기의 그림과 평면도와 같이 동 서 남측 방면에 인접 도로에 접해 있고, 북측으로는 건물과 접해있는 조건이다.

2.2.1 재래식 STRUT 공법의 사용 재료

사용 재료	엄지 말뚝	H-298X201X9X14 (C.T.C 1.6M)
	중간 말뚝	H-298X201X9X14
	WALE	H-300X300X10X15
	STRUT	H-300X300X10X15
	브레이싱	L-100X100X10
	H-BEAM	H-298X201X9X14
	ANGLE	L-100X100X10
	CHANNEL	ㄷ-380X100X10.5X16
	C.I.P	D400, C.T.C400, 전구간 LW그라우팅

2.2.2 IPS 공법의 현장 적용

토류 가시설은 지하철 등과 같은 지하 구조물을 건설할 때 지반이 붕괴되는 것을 대비하기 위하여 굴착된 지하 공간에 설치하는 임시의 구조물이다. 그러나 현장에 적용된 STRUT를 이용한 가시설 공법의 경우에는, 비효율적으로 많은 버팀보가 사용되어 비경제적이고 주위 지반 침하의 우려까지 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 효율적인 가시설 공법이 대안으로서 제시되어져야 할 절실한 실정에 있다.  기존의 대부분의 가시설 공법은 주로 H형강의 휨 저항력과 압축 저항력을 이용하여 토압을 지지하는 구조이다. 그러나 토압을 지지하기 위해서는 H형강의 휨 저항력과 압축 저항력의 한계 때문에 많은 수의 H형강을 사용하여 촘촘히 설치해야 하므로 작업 공간이 좁아져 시공에 많은 어려움이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 STRUT 공법의 대안 설계로서 IPS 가시설 공법을 제시한다.

2.2.3 IPS 도면(변경 도면)

1-3단 IPS 가시설 평면도

4단 IPS 가시설 평면도

3. IPS 적용시 경제성 분석

3.1 공법 비교

공법	재래식	IPS
공법 SYSTEM	- STRUT를 이용한 흙막이 가시설 공법	- 강선 Prestressing을 이용하여 기존의 STRUT를 대체한 흙막이 가시설 공법
시공성	1. 다수의 조인트에 의한 많은 작업량 2. 좁은 내부 공간에서의 작업 효율성 저하	1. 소수의 볼트 연결에 의한 쉬운 설치, 해체 2. 사용 강재량 감소에 의한 공기 단축 3. 넓어진 내부 공간으로 인한 시공의 편리성
경제성	1. 내부 작업공간의 협소화에 따른 비용 증가	1. 사용 강재량 감소에 의한 공사비 절감 2. 공기 단축 3. 토공사 및 본 구조물 시공의 편의성에 의한 추가적 경제적 이윤 발생
안전성	1. 과토압 작용시에 내부 스트러트 압축 좌굴 파괴를 일으키게 되므로 비상시 대비가 어렵다. 2. 안전 사고의 요소가 도처에 산재하여 있다.	1. 강선의 휨 인장에 의한 파괴를 일으키므로 비상시 대비가 가능하다. 2. 설치 해체가 간단하므로 안전 사고의 위험 요소를 원천적으로 제거 할 수 있다. 3. 기존의 계측공사를 수행함과 동시에 IPS 전용계측 시스템인 광역변위계측 및 경보 시스템으로 실시간으로 모니터링하여 보다 안전한 시공을 할 수 있다. 4. 선행하중의 효과로 주변 시설물의 침하를 방지 할 수 있다

4. 종합 결과

새로운 개념의 IPS(Innovative Prestressed Scaffolding) 흙막이 공법의 현장 적용을 위하여,  현장 여건에 따른 검토, 안전을 고려한 검토, 경제적 측면의 검토를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) IPS 흙막이 공법은 H Beam 받침대, 띠장과 강선으로 구성된 IPS 시스템을 흙막이 벽체에 거치하고 강선에 긴장력을 가하여 굴착으로 인한 토압을 지지하는 방법이다.

2) IPS 흙막이 공법은 굴착지반에 가해지는 프리스트레스를 통하여 버팀 보의 간격을 기존 보다 수 배에서 십 여배까지 늘릴 수 있으며 버팀 보의 설치 수를 대폭 줄임으로써 보다 넓은 작업공간을 제공한다. 또한, 월등히 개선된 작업여건과 획기적인 강재의 절감으로 인하여 효율적이고 경제적인 흙막이 공사를 수행할 수 있다.

3) IPS 흙막이 공법은 강선의 긴장력을 통하여 지반굴착으로 인한 벽체의 변형을 억제할 수 있으며 도심지 대심도 굴착 등 지하공간 건설에 따른 인접구조물의 영향을 최소화하여 흙막이 공사의 안정성을 개선시킬 것으로 판단된다.

4) IPS 흙막이 공법은 공기단축 및 비용절감, 가시설 설치ㆍ해체시 발생되는 안전사고를 예방 하고자 하는 토목 및 건축현장에서 유용하게 사용될 수 있는 신 공법이다.

5. 현장 설치 전경

중간 버팀 보가 설치 되지 않아 작업공간이 확보되어 작업 편의성 증대 및 중간 버팀 보 해체 필요가 없어 안전사고 예방.