도심 속 지하 건설의 핵심, 슬러리 월 공법 심층 분석

굴착 지지 시스템

건설 현장에서 건물이 들어설 면적보다 부지가 충분히 넓다면, 굴착 경계를 경사지게 하거나 계단식으로 만들어 토양이 다시 구덩이로 미끄러져 들어가지 않도록 할 수 있습니다. 이때 사용되는 각도를 '안식각'이라고 하는데, 점토와 같은 점착성 토양에서는 급경사가 가능하지만, 모래나 자갈 같은 마찰성 토양에서는 완만한 경사를 유지해야 합니다.

하지만 공간이 제한된 현장에서는 굴착 주변의 토양을 지지할 수 있는 경사면 지지 구조물이나 굴착 지지 시스템이 필요합니다. 이는 토압과 지하수압에 견딜 수 있어야 합니다(그림 2.10 참조). 이러한 구조물은 토양의 특성, 굴착 깊이, 시공사의 장비와 선호도, 주변 건물과의 근접성, 지하수위 등에 따라 다양한 형태로 만들어질 수 있습니다.

흙막이 공법

가장 일반적인 경사면 지지 방식, 즉 흙막이 공법에는 솔저파일(soldier pile)과 흙막이판(lagging), 그리고 시트파일(sheet pile) 공법이 있습니다.

솔저파일과 흙막이판 공법에서는 먼저 H형강이나 솔저빔이라 불리는 강철 기둥을 굴착 예정 부지 주변에 일정 간격으로 수직으로 박습니다. 그 후 흙을 파내면서 기둥 사이에 두꺼운 목재 판자인 흙막이판을 설치하여 굴착 외부의 토양을 지지합니다(그림 2.11, 2.12 참조).

시트파일 공법은 목재, 강철, 또는 프리캐스트 콘크리트로 만든 수직 판들을 서로 밀착하여 땅에 박아 단단한 벽을 형성하는 방식입니다. 이 작업은 굴착 전에 이루어집니다(그림 2.13, 2.14 참조).

 

대부분의 경우 이러한 흙막이 구조물은 임시적으로 사용되며, 굴착 후 되메우기 작업 시 제거됩니다. 그러나 때에 따라 건물의 지하 구조물의 일부로 영구히 남겨지기도 합니다. 예를 들어, 흙막이 구조물이 부지 경계선에 매우 가깝게 설치되어 있어 공사 완료 후 제거 시 인접 부지나 구조물에 영향을 줄 수 있는 경우가 이에 해당합니다.

또 다른 경사면 지지 방법으로는 숏크리트(shotcrete)라고도 불리는 공압식 콘크리트 타설 방식이 있습니다. 이 방법은 먼저 굴착을 진행한 후, 경사진 측면에 호스를 통해 비교적 단단한 콘크리트 혼합물을 직접 분사하여 보강하는 방식입니다. 이는 토양이 충분히 점착성이 있어 최소한 일시적으로라도 가파른 경사를 유지할 수 있을 때 효과적입니다. 경화된 콘크리트는 경사면을 보강하고 토양 침식을 방지합니다(그림 2.15 참조).

슬러리 월(Slurry Wall)

슬러리 월은 더 복잡하고 비용이 많이 드는 굴착 지지 방식입니다. 일반적으로 건물의 영구 기초의 일부가 될 때만 경제성이 있습니다.

슬러리 월 시공의 첫 단계는 측량 장비를 사용하여 지표면에 벽의 위치를 표시하고, 얕은 콘크리트 가이드 월을 만들어 벽의 위치와 두께를 정의하는 것입니다(그림 2.16, 2.17 참조).

 

가이드 월의 거푸집을 제거한 후, 크레인에 장착된 특수한 좁은 클램셸 버킷을 사용하여 가이드 월 사이의 토양을 파냅니다. 좁은 트렌치가 깊어질수록 토양 벽이 무너질 위험이 있는데, 이를 방지하기 위해 트렌치에 물과 벤토나이트 점토의 점성 혼합물인 '슬러리'를 채웁니다. 슬러리는 토양 벽에 압력을 가해 붕괴를 막습니다.

클램셸 버킷은 슬러리를 통과하며 트렌치 바닥의 토양을 계속 파내어 원하는 깊이(종종 지하 여러 층에 해당)에 도달할 때까지 작업을 계속합니다. 이 과정에서 트렌치가 항상 가득 차 있도록 슬러리를 계속 보충합니다.

한편, 작업자들은 슬러리를 대체할 콘크리트 벽을 보강할 철근 케이지를 용접하여 준비합니다. 트렌치 폭에 맞는 직경의 강관을 일정 간격으로 수직으로 박아 트렌치를 편리하게 보강하고 콘크리트를 타설할 수 있는 크기의 구역으로 나눕니다.

각 구역의 콘크리트 타설은 먼저 철근 케이지를 슬러리 속으로 내리는 것으로 시작합니다. 그 다음 트레미(tremie)라는 깔때기와 관 장치를 사용하여 트렌치 바닥부터 위로 콘크리트를 부어 올립니다. 콘크리트가 트렌치 내에서 상승하면서 슬러리를 밀어내고, 이 슬러리는 펌프로 저장 탱크에 보관되어 재사용됩니다.

콘크리트가 트렌치 상부에 도달하고 충분히 경화되면, 최근 타설된 구역 양쪽의 수직 파이프를 트렌치에서 제거하고 인접 구역에 콘크리트를 타설합니다. 이 과정을 벽의 각 구역마다 반복합니다. 모든 트렌치의 콘크리트가 원하는 강도로 양생되면, 벽 내부의 토양 제거 작업을 시작합니다. 이때 이 벽은 굴착을 위한 흙막이 역할을 합니다.

앞서 설명한 현장 타설 콘크리트 슬러리 월 외에도, 프리캐스트 콘크리트 슬러리 월도 있습니다. 이 벽은 프리스트레스 처리되며, 프리캐스팅 공장에서 구역별로 제작된 후 건설 현장으로 운반됩니다. 프리캐스트 벽에 사용되는 슬러리는 물, 벤토나이트 점토, 포틀랜드 시멘트의 혼합물입니다.

크레인으로 구역을 슬러리에 내리기 전, 구역의 표면에 점토-시멘트 슬러리가 붙지 않도록 하는 화합물을 도포합니다(그림 2.18 참조). 구역들은 트렌치에 나란히 설치되며, 홈-돌기 모서리나 합성 고무 개스킷으로 연결됩니다. 포틀랜드 시멘트로 인해 슬러리가 토양과 유사한 경도로 굳으면 굴착을 시작할 수 있습니다. 이때 벽 안쪽 면의 경화된 슬러리는 토양이 제거되면서 코팅된 표면에서 떨어져 나갑니다.

 

프리캐스트 슬러리 월의 주요 장점은 현장 타설 방식에 비해 품질 관리가 더 용이하고, 시공 속도가 빠르며, 현장에서의 콘크리트 타설 작업이 줄어든다는 점입니다. 또한 날씨의 영향을 덜 받기 때문에 계절에 관계없이 시공이 가능합니다. 그러나 운송 비용과 대형 크레인 사용으로 인해 비용이 증가할 수 있다는 단점도 있습니다.

슬러리 월의 장점과 응용

슬러리 월 공법은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다:

방수성: 슬러리 월은 우수한 방수 성능을 제공하여 지하수 유입을 효과적으로 차단합니다.

구조적 강도: 완성된 슬러리 월은 높은 구조적 강도를 가져 건물의 영구 기초 구조물로 사용될 수 있습니다.

소음과 진동 최소화: 타 공법에 비해 시공 중 발생하는 소음과 진동이 적어 도심지 공사에 적합합니다.

깊은 굴착 가능: 매우 깊은 깊이까지 시공이 가능하여 대규모 지하 구조물 건설에 적합합니다.

유연성: 다양한 지질 조건에 적용 가능하며, 불규칙한 형태의 벽체 시공도 가능합니다.

슬러리 월은 다음과 같은 다양한 용도로 사용됩니다:

지하 주차장: 대규모 지하 주차장 건설 시 외벽으로 활용됩니다.

지하철 역사: 도심지 지하철 역사 건설에서 굴착 지지 구조물로 사용됩니다.

댐과 제방: 수리 구조물의 차수벽으로 활용되어 누수를 방지합니다.

오염 차단: 환경 정화 프로젝트에서 오염된 지하수의 확산을 막는 장벽으로 사용됩니다.

고층 건물 기초: 초고층 건물의 깊은 기초 공사에 활용됩니다.

 

굴착 지지 시스템의 선택

적절한 굴착 지지 시스템을 선택할 때는 다음과 같은 요소들을 고려해야 합니다:

지반 조건: 토양의 종류, 강도, 지하수 상태 등을 고려해야 합니다.

굴착 깊이: 깊이가 깊을수록 더 강력한 지지 시스템이 필요합니다.

주변 환경: 인접 건물, 도로, 지하 시설물 등의 존재와 그 상태를 고려해야 합니다.

공사 기간과 비용: 각 공법에 따른 시공 속도와 비용을 비교해야 합니다.

장비 가용성: 필요한 장비의 현장 반입 가능성과 운용 공간을 검토해야 합니다.

법적 규제: 지역 건축 법규와 환경 규제를 준수해야 합니다.

안전성: 작업자와 주변 환경의 안전을 최우선으로 고려해야 합니다.

굴착 지지 시스템은 안전하고 효율적인 지하 구조물 건설을 위해 필수적입니다. 각 프로젝트의 특성과 요구사항에 맞는 최적의 시스템을 선택하는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 지반공학 전문가, 구조 엔지니어, 시공 전문가 등 다양한 분야의 전문가들의 협력이 필요합니다.

적절한 굴착 지지 시스템의 선택과 시공은 공사의 안전성을 확보하고, 주변 환경을 보호하며, 효율적인 건설 과정을 가능하게 합니다. 또한 이는 향후 건물의 수명과 성능에도 중요한 영향을 미치므로, 신중하고 전문적인 접근이 요구됩니다.