카타르 도심지 굴착 시 Dewatering 설계 및 시공 사례
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Ⅰ. 서 론
카타르 루사일 고속도로 건설공사(Project, P003- Lusail Expressway)는 현대건설이 카타르 공공사업청 (Public Works Authority; Ashghal)으로부터 미화 12 억 1천만 달러에 수주하여 지난 2012년 5월에 착공한 공사로, 입체 교차로 3개소 및 예술 조형물(Artscape) 을 비롯해 마이크로 터널, 교량 4개소, 경전철 터널 1개 소 및 각종 관로를 포함한 전체 노선 15.7km 규모의 도 심지 내 고속도로를 건설하는 공사이다.
카타르 정부는 현재 개발 중인 루사일 신도시와 도 하의 중심지인 디플로매틱 구역 (Diplomatic Area)을 연결하는 왕복 4차선 도로(Al Istiqlal Road)를 개선 하기 위하여 본 사업을 기획하였으며, 이 사업 외에도 2022년 카타르 월드컵을 준비하기 위하여 카타르 여 러 곳에서 기존 도로를 확장하거나 신설도로를 건설하
는 사업을 진행 중이다.
본 공사는 기본적으로 총액 공사비(Lump Sum) 방 식으로 발주되었으나, 예술 조형물(Artscape), 굴착 및 흙막이 가시설, 가물막이, 지하수 처리, 공사 중 교 통처리, 마이크로 터널, 임시 관로 신설 등 공사에 중 요한 상당수의 공종이 설계시공 일괄공사(Design &
Build)로 계획되어 공사 중 높은 수준의 설계 및 설계 관리 역량이 요구되었다. 카타르 루사일 고속도로 건 설공사의 지정학적 위치 및 공사구간 현황은 그림 1, 2 와 같다.
2. 루사일 고속도로 건설공사 현장 개요
카타르 루사일 고속도로 건설공사는 도하 시내 북 서쪽의 아치 회전교차로부터 도하 골프 클럽 회전교
정 원 호 현대건설㈜
인프라환경엔지니어링실 부장 (sfjung@hdec.co.kr) 김 홍 영
현대건설㈜
인프라환경엔지니어링실 부장대우 (kimhy@hdec.co.kr) 이 용 선
현대건설㈜
인프라환경엔지니어링실 차장 (prying95@hdec.co.kr)
김 기 창 현대건설㈜
카타르 루사일 고속도로 공사 상무 (kck11@hdec.co.kr)
차로까지 개략 연장 5.3km 지역에 시공되고 있으며, 주요 과업은 0.65km 연장의 펄(The Pearl) 연결도 로, 2.45km 연장의 오나이자 지역(Onaiza Street), 1.5km 연장의 와흐다 지역(Wahda Street)에 복 층 입체교차로 건설과 웨스트베이 라군(West Bay Lagoon)에 위치한 북측 및 남측 수로를 횡단하는 기 존 교량 2개소를 철거 후 확장 시공하는 것이다(그 림 3∼5). 본고에서 설명하고 있는 “도심지 굴착 시 Dewatering 설계 및 시공 사례”는 펄, 오나이자 및 와 흐다 지역에 적용된 지하차도 건설을 위한 대규모 굴 착에 침투하는 지하수를 배제하기 위해 적용한 공법에
대한 기록이다.
카타르 루사일 고속도로 건설공사의 개략적인 공사 내용은 표 1과 같다.
3. 디워터링 공법 적용 배경
카타르 루사일 고속도로 현장의 디워터링 공법은 총 4개 구간(경전철(LRT) 굴착, 펄 지하차도 굴착, 오 나이자 지하차도 굴착 및 와흐다 지하차도) 굴착에 시 공되도록 계획되었다(그림 6∼9). 본 디워터링 공법은 그림 1. 루사일 고속도로 건설공사 현장 위치 그림 2. 루사일 고속도로 건설공사 구간 현황
그림 3. Pearl 구간 현황 그림 4. Onaiza 구간 현황 그림 5. Wahda 구간 현황
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그림 6. 경전철(LRT) 굴착
그림 8. 오나이자 지하차도 굴착
그림 7. 펄 지하차도 굴착
그림 9. 와흐다 지하차도 굴착
굴착 최대 깊이 약 25m, 굴착 면적 약 200,000m2 인 대규모 도심지 굴착공사 중 작업성 확보를 위해 침투
하는 지하수를 굴착 구간 바깥으로 배제하기 위한 것 으로 주로 딥웰(Deep Well) 및 공사 중 집수정 (Sump
공사명 카타르 루사일 고속도로 건설공사(P003-Lusail Expressway) 현장위치 와흐다 회전 교차로부터 도하 골프클럽 회전 교차로까지 5.3km 구간 공사성격 Lump Sum / Build + Provisional Sum / Design & Build
사업기간 58개월 (2012년 5월 21일 ∼ 2017년 3월 31일)
공사규모 도심지 내 고속도로 연장 15.7km (2∼16차로, 입체교차로 3개소)
주요공사 내용
- 교량 2개소 (0.3km) / 고가차도 2개소 (0.6km) - 지하차도 6개소 (5.1km)
- 경전철 터널 1개소 (1.1km) / 마이크로 터널 5개소 (4.5km) - 지중 관로 및 선로 우회 및 신설 (13종, 341km) - 예술 조형물 설치
발주처 카타르 공공사업청(Public Works Authority; Ashghal) 표 1. 카타르 루사일 고속도로 건설공사 공사 개요
Pit)을 적용하여 수행되었다. 바닷가에 인접한 공사 구 간의 높은 지하수위와 공동이나 절리 등의 비균질성 지반 특성 및 현지 지하수처리 관행 등 국내의 지하수 처리 공사와는 다른 조건이 많았으며, 이를 적절하게 대처하는 것이 디워터링 공사의 성패에 주요한 요소로 작용하였다.
현장내의 디워터링이 설치될 구간은 고급 주거지 및 국왕의 별궁이 위치하는 도심지 지역으로 인허가를 위 한 행정처리 외에 디워터링 공법의 적용시 고려해야 할 많은 제약조건이 있었다. 디워터링 시 집수된 지하 유출수는 인근 바다에 바로 배출이 되어야 하므로 배 출수의 품질 기준을 만족해야 했다. 또한 전구간 굴착 시 초당 4400 리터에 달하는 배출수를 도심지를 통과 하여 안정적으로 바다로 배출하기 위해서는 그에 맞는 배출수 운송관 및 전력공급 계통이 설치되어야 했으 며, 운행중인 도로에 교통영향을 최소화 하도록 도로 를 점용해야 했다. 추가로 석회암으로 이루어진 현지 지반의 특성으로 인해 지하수 유입량이 큰 공동 및 절 리들의 존재도 디워터링을 어렵게 하는 요인 중의 하 나였다(표 2 참조).
4. 디워터링 공법의 설계
디워터링이 적용된 굴착 지역의 지반 조건은 그림 10, 11에서 확인 가능한 바와 같이 일반 성토층(General and Hydraulic Fill), 심시마 석회암(Simsima Limestone), 미드라 셰일(Midra Shale), 러스 석회암 (Rus Formation)으로 구성되어 있으며, 부분적으로 캡락(Cap Rock)이 혼재되어 있다. 이 중 디워터링 설 계에 직접적인 영향이 있는 지층은 일반 성토층과 심 시마 석회암층이며, 추가로 굴착 깊이가 깊은 경우에 러스 석회암의 투수 특성이 설계에 중요한 영향을 미 치는 것으로 판단되었다. 부분적으로 혼재된 해성 실 트질 점토층 및 미드라 셰일층 경우 그 두께가 1.5m 이내로 얇고 투수계수가 1.4∼7.7x10-5m/sec 가량으 로 낮아 디워터링 설계 시 그 영향 미미할 것으로 판단 되었다.
심시마 석회암층(Simsima Limestone)은 카타르에 전역에 광범위하게 분포하고 있는 지층으로 돌로마이 트(Dolomite) 성분을 많이 포함하며 비교적 높은 강도 특성을 보이는 석회암 층이다. 심시마 석회암층은 풍 화된 정도에 따라서 표 3과 같이 세 가지 등급으로 나 누어 강도 및 투수 특성을 다르게 적용하였다. 설계에 적용된 지반정수는 표 4 및 표 5와 같다.
디워터링 설계 시 적용한 지하수위는 그 지역에서 이루어진 지하수위 계측 데이터를 기본으로 인근 설계 자료를 참고하여 적용하였다. 현지에서 계측된 데이 터는 주로 관측정을 통해서 수집되지만, 보링 작업 시 추가되는 작업수나 인근 건설현장의 지하수 처리 공법 의 영향과 계절적인 변화요인을 반영하기 어렵다는 점 에서 계측된 결과를 그대로 설계 지하수위로 적용하기 는 어려운 점이 있다. 각 지역별 설계 적용 지하수위는 아래와 같다.
- 경전철 및 펄 지하차도 지역 : +1.0m (QNHD*) - 오나이자 지하차도 지역 : +0.6m (QNHD) - 와흐다 지하차도 지역 : +0.5m (QNHD)
* QNHD : Qatar National Height Datum
구분 제약조건
환경 관련 제약
•저탁도 지하수 배출 (Turbidity < 50.0NTU)
•PH 6.0∼9.0
•Sulphide < 100ug/l
•화학적 산소 요구량 < 100mg/l
•유지 함유량 < 15mg/l
시공성 관련 제약
•도심지를 통과하여 배출수 운송관 설치
•운행중인 도로를 점유하여 배출수 운송관 설치
•24시간 디워터링을 유지하는 운영 시스템 구축
지반 관련 제약
• 석회암 지반의 특성상 투수계수가 예측 불가능한 공동 및 절리 다수 존재
표 2. 디워터링 계획 시 제약조건
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표 3. 심시마 석회암(Simsima Limestone) 등급 구분 기준
표 4. 설계 지반 정수
층구분 단위중량(kN/m3) 점착력c’(kPa) 내부 마찰각 Φ (°)
General fill 18.0 10.0 27.0
Marine Deposits 18.0 10.0 27.0
Limestone Zone C 22.5 260.0 26.0
Limestone Zone B 22.5 700.0 29.0
Limestone Zone A 22.5 830.0 32.0
Midra Shale 19.5 227.0 22.0
Fahahil Velates 24.5 1200.0 25.0
Rus Formation 20.0 103.0 23.0
그림 10. 경전철 및 펄 지역 지반 조건 그림 11. 오나이자 및 와흐다 지역 지반 조건
디워터링 실시 후 굴착부의 지하수위는 바닥면 기준 GL(–)1.0 m 이하가 되도록 딥웰 및 공사 중 집수정을 설계하여 굴착구간 작업성을 확보하였다.
디워터링 관련 침투수 해석시 경계조건은 굴착지역 이 바닷가에 인접하여 위치하므로 굴착지역부터 200 m 외부에 일정수압 조건을 적용하였으며, 딥웰 및 공 사 중 집수정의 수압은 대기압으로 적용하였다.
디워터링 시 딥웰 및 공사 중 집수정의 용량 및 배수성능을 확인하기 위해 침투수 해석(Seepage Analysis)을 실시하였다. 침투수 해석의 경우 Geo- slope사의 해석 프로그램인 SEEP/W를 사용하여 정 상류 상태와 비정상류 상태의 유입량을 분석하였으
며, 정상류 상태 유입량에 안전율 1.5 이상을 확보할 수 있도록 배수 시설을 설계 하였다. 또한, 비정상류 해석을 통해 최소 24시간 이상 충분히 배수를 실시하 여 정상류 상태로 굴착 구간을 유지하도록 계획 하였 다. 각 지역별 SEEP/W 침투해석 결과는 그림 12~15 와 같다.
5. 디워터링 공법의 시공
디워터링 공법은 딥웰(Deep Well) 및 공사 중 집수 정(Sump Pit)을 적용하였다. 딥웰이나 공사 중 집수정 표 5. 설계 지반 투수 계수
구분 투수계수(m/sec) 구분 투수계수(m/sec)
General fill 2.2 × 10-4 Limestone Zone A 1.5 × 10-5
Marine Deposits 7.7 × 10-5 Limestone Zone B 1.4 × 10-5
Midra Shale 1.4 × 10-5 Limestone Zone C 1.7 × 10-4
Fahahil Velates 1.4 × 10-5 Rus Formation 1.4 × 10-5
그림 12. 경전철 굴착 침투수 해석 결과
∴ FS = 1.6 ＞ 1.5
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을 적용하기 위해서는 적정거리에 포집한 지하수를 배 출할 수 있는 장소가 필수적이다. 또한 공사 중 집수정 을 적용할 경우 굴착 시 흙탕물이 집수되는 경향이 있 어, 지하수 배출 전 임시 침전지나 혹은 흙탕물을 처리
할 수 있는 다른 공법을 고려해야 한다. 딥웰만을 고려 할 경우 딥웰 설치시 토목섬유나 골재 등의 필터층이 있어서 침전지가 불필요하나, 공동이나 절리 등의 석 회암 지반 불균일한 투수 특성 때문에 딥웰과 공사 중 그림 13. 펄 지하차도 굴착 침투수 해석 결과
그림 14. 오나이자 지하차도 굴착 침투수 해석 결과
∴ FS = 1.7 ＞ 1.5
∴ FS = 1.7 ＞ 1.5
집수정을 병행하여 시공하는 것이 효과적이었다.
루사일 고속도로 현장의 딥웰은 천공경 600mm와 파이프 직경 450mm, 천공경 300 mm와 파이프 직경 150mm 두 조합이 지하수 배출 필요량에 따라 적용되 었다. 딥웰용 파이프의 재질은 플라스틱이나 강관이 일반적으로 적용되었다. 플라스틱의 경우 경제적이나 재활용이 불가능하며, 강관의 경우 초기 비용이 비싸 지만 재활용이 가능하므로 현장 상황에 맞도록 자재를 선정할 필요가 있다. 딥웰의 설치 위치는 사면 상단, 사면 하단, 굴착 내부에 설치가 가능하나, 각각 표 6과 같은 장단점이 있어 현장 상황에 따라 적정한 설치위 치를 선정할 필요가 있다. 딥웰용 펌프의 경우 최초 설 계 단계부터 딥웰 천공경 및 파이프 직경에 맞는 크기 를 선정해야 한다. 펌프 용량의 경우 경험식 및 침투해 석을 통해 산정된 지하수 배출량 및 양정을 고려하여 펌프 제조사별 제원에 맞는 펌프 용량 산정 그래프를 적용하여 선정하며, 딥웰부터 배출지까지 거리가 멀 경우에는 부스터 펌프의 운용을 고려할 필요가 있다.
현장에서 수행된 딥웰 공법 천공, 설치, 유지관리 현황
은 각각 그림 16∼21과 같다.
공사 중 집수정의 경우 펌프 용량 및 크기에 특별한 제약 조건이 없이 적용이 가능하며, 유사시 용량과 크 기가 큰 펌프를 적용하는 것도 가능하여, 현장의 적용 성이 우수하다. 다만, 필터의 설치가 곤란하여, 굴착 시 발생하는 흙탕물의 유입에 대한 대책이 필요하다.
또한, 암 구간 굴착 중에는 공사 중 집수정 설치시에는 브레이커를 사용하여 집수정을 굴착해야 하나, 일반 브레이커 장비는 수중에서 작동이 불가능하여 굴착 깊 그림 15. 와흐다 지하차도 굴착 침투수 해석 결과
∴ Fs = 1.6 ＞ 1.5
설치위치 특징
사면 상단 •유지관리 용이
•굴착 표면수 처리 불가
사면 하단 •유지관리 어려움
•상황에 따라 굴착 표면수 처리가능
굴착구간 내부
•유지관리 어려움
•굴착 표면수 처리 용이
•딥웰 자립용 지지대 필요 표 6. 딥웰 설치 위치별 특징
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그림 16. 딥웰 천공
그림 18. 사면 하단 설치 딥웰
그림 20. 굴착 내부 설치 딥웰
그림 17. 디워터링 배출 파이프
그림 19. 딥웰 상부 처리
그림 21. 디워터링 배출수 집수통
이에 제한이 있으므로, 디워터링을 병행하며 공사 중 집수정을 굴착하는 방법을 적용해야 한다. 루사일 고 속도로 현장에 적용되었던 공사 중 집수정은 그림 22, 23과 같다.
6. 디워터링 공법 적용시 유의사항
국내 적용 사례가 적은 딥웰에 의한 대규모 디워터 링 공법을 카타르 지역 도로확장 및 굴착공사에 적용
하는데 여러 가지 어려운 점이 있었다. 그 중, 지반기 술자로서 디워터링 공법 적용 시 고려해야 할 주요사 항을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 디워터링 공법은 기본적으로 침투해석의 결과 를 기본으로 설계가 되나, 침투해석에 사용되는 지반 투수 계수에는 변수가 있다. 특히, 석회암 지역의 경우 일반적으로 적용되는 대표 지반투수 계수는 공동이나 절리 같은 특수성을 고려하지 않은 결과로 이해해야 하며, 실제 지반조사 시 수행되는 공내 투수시험이나, 공내 배수시험 역시 이러한 특이점에 정확하게 실시될 수가 없으므로, 일반적으로 대표 지반투수 계수를 적 용하여 실시되는 침투해석의 결과와 실제 굴착 시 유 입되는 지하수의 양에 차이가 발생할 수가 있다. 따라 서, 침투해석의 결과보다 충분한 용량과 여유를 가지 고 계획을 세울 필요가 있다.
둘째, 석회암 층의 경우 공동이나 절리를 내재하고 있는 특성 때문에 투수계수의 편차가 심하므로, 설치 된 딥웰로 지하수가 충분히 침투하지 못하고 공동이나 절리를 타고 굴착 면으로 유입되는 경우가 빈번하게 발생하므로, 굴착 표면수를 처리할 수 있는 방법을 고 려해야 한다.
셋째, 디워터링 배출수를 처리하는 배수관을 도로 아래에 매설할 경우, 2배~3배의 여유 용량을 고려하 여 관을 매설하여야, 배출수 과다 시 도로를 재 굴착하 는 리스크를 경감할 수 있다.
이와 같은 유의사항을 고려한다면, 카타르 루사일 고속도로 현장과 비슷한 지반조건 및 위치조건에서 디 워터링 공법을 적용 시 성공적인 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
7. 결론
카타르 루사일 고속도로 건설현장에서 수행한 공 사 내용 중 펄(Pearl), 오나이자(Onaiza), 와흐다 (Wahda) 지역에 입체 교차로를 시공하기 위한 도심지 굴착공사에 적용된 디워터링(Dewatering) 공법의 설 계 및 시공에 대한 내용을 살펴 보았다. 해당 공사는 해 안 및 인공수로와 인접하여 대규모 도심지 굴착이 계 획됨에 따라, 굴착 시 높은 지하수위에 따른 다량의 유 출수를 처리하기 위하여 디워터링을 실시하였으며, 석회암 지대라는 공사구간의 지반특성상 지하 공동의 영향으로 급변하는 지하수 유출량을 안정적으로 처리 하기 위하여 현장 적용성이 우수한 딥웰과 공사 중 집 수정을 적용한 디워터링 시스템을 구축하였다.
디워터링이 수행된 공사구간이 위치하고 있는 펄, 오나이자, 와흐다 지역은 도하 시내 최고급 주거지역 중 하나로 도심지 대규모 굴착 공사 및 이에 따른 디워 터링 공사 시 환경, 시공성, 지반조건과 관련된 제약조 건이 있었다. 다양한 제약 조건을 극복하기 위해 딥웰
그림 22. 공사 중 집수정 그림 23. 지하수 유도 파이프
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과 공사 중 집수정을 적용한 디워터링 공법을 계획하 였으며, 설계 단계에서 침투수 해석을 구간 별로 실시 하였고, 용량 및 양정 분석을 통해 적정할 펌프를 선정 하였다.
루사일 고속도로 현장의 딥웰은 천공경 600mm와 파이프 직경 450mm, 천공경 300 mm와 파이프 직경 150mm 두 조합이 지하수 배출 필요량에 따라 적용되 었다. 딥웰용 파이프의 재질은 플라스틱이나 강관이 일반적으로 적용되었다. 공사 중 집수정의 경우 펌프
용량 및 크기에 특별한 제약 조건이 없이 적용이 가능 하였으며, 굴착 시 발생하는 흙탕물의 유입에 대한 대 책이 필요하였다.
딥웰 및 공사 중 집수정을 적용한 본 굴착공사는 상 당부분 완료되어 그 시공성과 적용성이 검증되었으 며, 이와 같은 디워터링 공법은 현지 지반 특성, 설계 개념, 현지 적용성과 관련된 유의사항에 주의한다면, 향후 유사한 조건에서도 충분히 활용이 가능할 것으로 판단된다.
2016년 한국지반공학회 가을학술발표회를 제주국제컨벤션센터에서 10월 19일(수)~21일(금)기간동안 대한토목학회 및 유관학회와 공동으로 개최하며 등록비는 대한토목학회 정회원과 동등하게 적용됩니 다. 회원여러분들의 많은 참여를 바랍니다.
- 안 내 -
행사기간 : 2016년 10월 19일(수) ~10월 21일(금) 학술발표 : 2016년 10월 20일(목) ~10월 21일(금) 장 소 : ICC JEJU(제주국제컨벤션센터)
일정관련 자세한 사항은 대한토목학회 2016 정기학술발표회 홈페이지 참조 http://conf2016.ksce.or.kr/main/Confguide_01.asp
※ 접수된 논문은 프로그램 구성시 세션변동이 될수도 있음
한국지반공학회 학술전담이사 이용주
