C.S.M(Cutter Soil Mix)흙막이 공법의 시공사례
정 선 태 (주)동아지질 엔지니어링2부 상무 (stjung@dage.co.kr)
한 상 수 (주)동아지질 엔지니어링2부 대리 (sshan@dage.co.kr)
Ⅰ. 서론
도심지의 급속한 개발이 이루어 짐에 따라 지상공간 부족 현상이 발생하고 있으며, 지하공간 개발의 중요 성이 커지게 되었다. 도심지내 구조물은 대형화가 되 어가고 있으며, 지하구조물 역시 대형화가 되고 있는 추세이다. 과거 중소규모의 흙막이 가시설의 경우 일 률적으로 H-Pile+토류판 공법을 적용해 왔으나, 굴착 심도 및 규모가 증가하면서 구조물의 용도 및 굴착목 적에 따라 다양한 공법들이 적용되고 있으며, 새로운 공법들의 개발 및 적용이 활발히 시도되고 있다.
본 고에서 소개할 C.S.M공법은 2003년 독일에서 개발되어 2012년 국내 처음 도입된 흙막이 공법으로 Slurry wall장비와 동일한 굴착 Wheel을 이용하여, 트렌치를 굴착과 동시에 휠 중앙부에서 cement paste 를 분사하여, Soil cement벽체를 조성하는 공법이다.
국내에서 시공사례가 많은 S.C.W의 경우 N치 30이 상의 지반에서 시공이 불가능하며, C.I.P의 경우 이음 부가 취약하고 중첩시공을 할 수 없으므로 별도의 차
수공법이 필요하다. 또한 깊은 심도에서는 정확한 수 직도를 유지하지 못하는 단점을 가지고 있다. C.S.M 공법의 경우 S.C.W 보다 단면강성이 크고, C.I.P 보다 차수효과가 우수하며, 자갈, 풍화암, 연암 등의 대부분 의 지반에 적용이 가능하다. 또한 중첩시공이 가능하 므로 별도의 차수공법 없이 흙막이 벽체 시공이 가능 한 공법으로 유럽을 비롯한 미국, 일본, 호주 등지에서 150회 이상의 시공실적을 보유한 공법이다.
본 고에서는 국내 최초로 도입된 C.S.M공법에 대해 소개하고, 현장시공사례를 통한 공법의 장·단점 및 시공 중 발생된 문제점 등을 소개하고자 한다.
Ⅱ. C.S.M공법
1. C.S.M공법 개요
C.S.M공법은 BC Cutter Wheel을 이용하여 원위 치 교반으로 지반을 고화시켜 흙막이 벽체, 차수벽, 지
표 1. C.S.M 기본제원
C.S.M 기본제원
•1Panel 길이 : 2.8m
•1Panel 폭 : 0.64m
•최대 작업심도 : 약 34m
•사용 시멘트량 : 300kg/m3
•현장 압축강도 : 40~50kg/m2 이상
•천공 Wheel중앙부에서 Cement Paste를 분사하여, 혼합 교반
그림 1. 시공관리(C.S.M DATE) 시간/속도
깊이/수직도
휠/회전방향
회전/부하량
반보강 효과를 기대할 수 있는 공법이다. N치 30이상 의 지반(자갈층, 풍화토, 풍화암 등)에서 시공이 가능 하며, 고속 회전교반으로 높은 강도와 균질한 개량이 가능한 공법이다. 2003년도 독일에서 개발되어 유럽 을 비롯한 미국, 일본, 호주 등지에서 다수의 시공실적 을 보유한 공법으로 굴착 심도는 최대 60m까지 시공 이 가능한 공법이다.
2. 시공관리
C.S.M공법은 휠 내부에 설치된 센서를 통하여 굴착 되는 동안 실시간으로 모든 데이터(굴착심도, 굴진속 도, 수직도, 휠 회전속도, 부하량 등)가 모니터링 가능 하다. 굴착 중 실시간 모니터링을 통하여 수직도 조절 이 가능하므로 시공 관리가 우수한 공법이다.
4. 슬라임처리 1. setting
5. 인발 2. Slurry생산 및 압송
6. 빔 근입 3. 천공 및 주입
그림 2. CSM공법 시공 흐름도 및 시공순서
3. C.S.M공법 시공순서
C.S.M공법의 시공순서는 그림 2와 같다.
4. 흙막이 공법비교
국내에서 일반적으로 적용되는 흙막이 공법으로는 엄지말뚝(H-Pile+토류판), S.C.W공법, C.I.P공법,
Sheet Pile공법, 지하연속벽(Diaphragm Wall)등이 있다. 그 중 C.S.M공법과 유사한 S.C.W공법, C.I.P공 법에 대한 비교는 표 2와 같다.
Ⅲ. C.S.M공법 시공사례
1. 현장 개요 및 C.S.M공법 적용배경
구 분 C.S.M(Cutter Soil Mix) S.C.W(Soil Cement Wall) C.I.P(Cast In Pile)
평 면
장 비
BG+Cutter Wheel Pile Driver+Auger(3축) Pile Driver+T-4
사용재료 시멘트 시멘트 시멘트
대상지반 연암일부 N<30의 지반 연암일부
시공심도 약 60m 약 30m 약 40m
장 점
•중첩시공으로 별도의 차수공 불필요
•폭이 (2.4~2.8m)크므로 시공속도 우수
•자갈 및 풍화암 이상의 지반에서도 시공가능
•중첩시공으로 별도의 차수공 불필요
•3축 Auger사용시 시공속도 우수
•국내 시공실적 다수
•자갈 및 풍화암 이상의 지반에서도 시공가능
•고강성 벽체
•국내 시공실적 다수
단 점 •Slurry Wall, C.I.P 등에 비해 저강성
•국내 시공실적 없음
•N>30 및 자갈층에서 시공성 저하
•저강성 벽체
•별도의 차수공 필요
•굴착심도가 깊을수록 수직도 유지 곤란
경 제 성 140% 100% 250%
표 2. 흙막이 공법비교
WALE
본 시공현장은 인접건물이 밀집된 도심지에 위치하 고 있으며, 지하굴착 면적은 약 2,560m2, 최종 굴착심 도는 G.L (-)19.05m이다. 굴착대상 지층은 주로 모 래·자갈층 및 풍화암층으로 이루어져 있으며, 지하수 위는 약 18.0m부근에 위치하고 있으나, 서측으로부터 1.2km 지점에 한강이 흐르고 있어 수위 변동이 예상 된다. 따라서 자갈 및 풍화암 굴착이 가능하며, 중첩시 공으로 차수성이 우수고 경제적인 C.S.M공법으로 토
류벽체를 선정하였다.
C.S.M Panel 두께는 640mm이고, 길이는 2,800mm 이다. 또한, 본 현장은 Top Down 방식으로 자립식 C.S.M구간은 근입깊이 5m, C.S.M Panel 깊이 16.35m 이며, CSM + Raker 또는 coner strut 보강구간은 근 입깊이 2m, C.S.M Panel 깊이 21.05m로 시공되었다.
C.S.M 시공현황은 그림 4와 같다.
평면도
그림 4. C.S.M 시공현황
단면도 적용 가능 지반
그림 3. 흙막이 공법 적용성
시공 가능 깊이
2. 지반특성
현장의 지반은 매립층 0.7~4.5m, 퇴적층 13.0~
18.0m(주로 모래·자갈층), 풍화토층 1.0~3.0m, 풍 화암층 1.0~25.0m 두께로 분포되어 있다. C.S.M은 주로 퇴적층(모래·자갈층)과 풍화암층에 근입되었으 며, 현장의 지층분포 현황은 그림 5에 나타내었다.
3. C.S.M시공시 문제점
본 현장은 총 87개의 Panel시공으로 설계되었으며, 하루 2판넬 시공을 목표로 공기는 약 2달정도 소요될
것으로 예상하였다. 하지만 국내 최초 도입된 공법으 로 시공시 몇몇 문제점이 발생하였으며, 그 문제점은 다음과 같다.
1) 지반상태
지반조사 결과와 다소 상이하게 φ30cm이상의 호박 돌 및 전석층이 다량 분포하고 있어 자갈층 굴착에 따 른 공기지연과 장비손상 및 수리로 인한 공기지연현상 이 발생하였다
2) 장비 손상
호박돌 및 전석층의 다량 분포로 인하여 Tooth 소
그림 5. 지층분포 현황
그림 6. 채취된 호박돌사진
그림 8. 데이터 출력물 그림 7. Tooth 및 Holder 손상사진 모량 과다 및 Holder 과다 손상으로 Tooth교체 및
Holder보수작업이 빈번히 발생하여 효율저하가 발생 하였다.
3) 지반여건에 따른 효율
당초 1 Pannel당 굴착교반 예상시간은 1시간 40분 정도로 지반여건이 조사와 동일한 구간은 예상시간
내에 시공되었으나, 예상치 못하게 하부 자갈층의 직 경이 큰 Pannel의 경우 굴차교반 시간은 약 3시간 정 도 소요되었으며, 굴착시간 지연에 따른 시멘트량 증 가 양상을 보였다. 다음 데이터는 굴착시 실시간 모니 터링된 데이터 출력물로 Pannel번호는 16번이며, 약 13m구간에 호박돌 및 전석층의 존재로 13m이후 구 간에서의 굴진속도가 현저히 저하되어, 분당 10cm이 하로 나타났으며, 최종 3.5m굴착하는데 1시간이상 소 요된 것으로 나타났다.
4. C.S.M시공 품질
현재 굴착이 완료된 상태이며, 압축강도 시험결과 40~50kg/cm2이상으로 양호한 강도를 나타내고 있 다. 또한 Wheel 내부에 설치된 센서를 통하여 굴착 되는 동안 실시간으로 모든 데이터(굴착심도, 굴착시 간, 굴진속도, 수직도, 휠 회전속도, 부하 등)가 모니 터링이 가능하므로, 시공되는 모든 Pannel을 실시간 모니터링을 실시하였다. 특히 호박돌 및 전석층에서 C.S.M장비의 충격이 지속적으로 발생하였으며, 수직 도 유지의 어려움이 발생하였으나, 모니터링을 통하 여 수직도를 유지함으로 시공품질을 확보하였다.
Ⅳ. 맺음말
본 고에서는 국내 최초로 도입되어 시공이 완료된
C.S.M공법에 대해 소개하였다. 본 공법은 단면강성이 크고, 차수효과가 우수하며, 자갈, 풍화암, 연암 등의 대부분의 지반에 적용이 가능하다. 또한 중첩시공이 가능하므로 별도의 차수공법 없이 흙막이 벽체 시공이 가능한 공법으로 기존의 흙막이 공법의 단점을 보완하 였다. C.S.M공법을 국내 최초로 도입 및 시공함으로 서 기술적인 시행착오가 많은 부분 발생하였지만, 본 현장에서 얻은 경험을 바탕으로 문제점을 보완할 경우 기존 타 공법보다 향상된 시공성 및 품질을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 보다 향상된 흙막이 공사 의 시공성 및 품질을 위하여 유사한 공사나 공법적용 시 본 고가 참고 되었으면 하는 바램이다.
그림 9. 굴착진행 모습
