1. 개요

1.1 매립지 연약지반에서의 연동침하 문제

최근 항만 및 해안 매립지를 중심으로 대규모 기반시설 조성이 지속됨에 따라, 연약지반 상부에 성토 및 구조물이 단계적으로 축조되는 사례가 증가하고 있다. 매립지 지반은 일반적으로 사석 매립층, 연약 점성토층, 퇴적층 등이 복합적으로 분포하는 지층 구조를 가지며, 이러한 조건에서(는) 상부 하중 증가에 따른 지반 침하 거동이 장기간에 걸쳐 나타난다.

특히 매립지 개발이 단계적으로 진행되는 경우, 이미 성토 및 구조물이 설치된 구간과 신규 공사 구간이 인접하게 되며, 이때 신규 재하 하중에 의해 기존 시설물 하부 지반에서 추가적인 침하가 발생하는 ‘연동침하(interaction settlement)’가 주요한 기술적 이슈로 대두되고 있다. 연동침하는 단순한 국부 침하와 달리, 연약 점성토층에서 발생한 과잉간극수압의 소산과 압밀 거동이 인접 지반으로 전이되면서 발생하는 현상으로, 기존 구조물의 부등침하, 단차, 균열 등의 형태로 나타날 수 있다.

본 기술이 적용된 현장 역시 해안 매립지에 조성된 항만 시설로, 인접한 기존 컨테이너부두가 이미 완공·운영 중인 상태에서 신규 하부 축조공사가 계획되었다. 신규 성토 및 구조물 하중이 작용할 경우, 기존 부두 구간의 연약지반에 연동하여 침하가 발생할 우려가 있어, 시공 단계에서 연동침하를 사전에 제어하기 위한 대응 방안의 검토가 필수적인 조건이었다. 그림 1은 현장에서 발생한 연동침하 사례와 이에 대한 모식도를 나타낸 것이다.

2.3 사석·암반층 시트파일 시공법(건설신기술 제 955호 R.S.D 공법)의 개요

사석·암반층 시트파일 시공법(R.S.D 공법)은 사석 및 암반층과 같이 견고한 지층 조건에서도 시트파일을 연속적으로 근입할 수 있도록 시공 메커니즘을 개선한 공법이다. 본 법은 연결부 가이드와 배출구가 설치된 특수 케이싱, 렉기어가 장착된 일체형 오거, 그리고 케이싱보다 큰 해머비트가 장착된 전용 천공기를 이용하여 시트파일을 시공한다(그림 3).

천공 과정에서 발생한 분쇄토는 배출구를 통해 고압의 에어가 배출되면서 천공홀 내부에 잔류하게 되며, 이를 통해 별도의 천공홀 치환 공정을 생략할 수 있다. 또한 케이싱보다 큰 해머비트를 이용한 중첩 천공 방식으로 시트파일 근입부에 미천공부가 발생하지 않도록 함에 따라, 시트파일의 근입성과 연결부 체결성을 동시에 확보할 수 있도록 구성되어 있다.

이러한 시공 방식은 기존 시트파일 공법이 적용되기 어려웠던 사석 매립층 및 암반 혼재 지반에서도 시트파일 시공의 연속성과 품질을 확보할 수 있다는 점에서 차별성을 가진다.

2.4 R.S.D 공법의 주요 시공 메커니즘과 특징

R.S.D 공법의 주요 특징은 다음과 같다.

첫째, 일체형 오거 상부에 렉기어를 장착하여 압입 방식으로 천공을 수행함으로써, 천공 시 발생하는 반발력을 효과적으로 제어하고 천공력을 증대시킬 수 있다. 이를 통해 사석 및 암반층과 같이 강도가 높은 지층에서도 안정적인 천공이 가능하다.

둘째, 특수 케이싱에 설치된 연결부 가이드를 활용하여 선행 설치된 시트파일과 맞물린 상태에서 천공을 수행함으로써, 시트파일의 수직도 관리가 용이하고 후속 공정의 연속 시공이 가능하다. 이는 연동침하 차단을 위한 연속 벽체 형성 측면에서 중요한 시공적 이점을 제공한다.

셋째, 케이싱보다 큰 해머비트를 이용한 중첩 천공 방식은 시트파일 근입부에 미천공 구간이 발생하는 것을 방지하여, 시트파일 근입 및 연결부 체결을 용이하게 한다. 이로 인해 시공 중 재시공 리스크를 줄이고 공정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

넷째, 천공 시 발생한 분쇄토를 천공홀 내부에 잔류시키는 개념을 적용함으로써, 천공홀 채움 공정을 생략할 수 있으며, 케이싱과 해머비트의 동시 인발이 가능해져 시공 공정이 단순화된다. 이는 시공 시간 단축과 작업 동선 개선으로 이어지는 장점이 있다.

이러한 시공 메커니즘의 차이는 기존 시트파일 공법과의 시공 순서 비교를 통해 보다 명확히 확인할 수 있다.

그림 4는 기존 시트파일 시공 방식과 사석암반층 시트파일 시공법(R.S.D 공법)의 시공 순서를 비교한 것이다. 기존 공법의 경우, 케이싱 천공 후 해머비트를 분리하여 제거하고, 이후 시트파일을 항타한 뒤 다시 후속 천공을 수행하는 방식으로 공정이 단절된다. 이 과정에서 케이싱 인발과 재설치, 천공 여부 확인 등의 반복 작업이 발생하여 공정 효율이 저하되고 시공 시간이 증가하는 문제가 있다.

반면, R.S.D 공법은 케이싱과 해머비트를 동시에 운용하여 천공과 시트파일 근입을 연속적으로 수행할 수 있는 시공 메커니즘을 적용하고 있다. 천공 직후 시트파일을 즉시 근입하여 미천공부 발생을 방지할 수 있으며, 천공 상태를 즉각적으로 확인할 수 있어 장비 재투입 가능성이 최소화된다. 이러한 공정의 연속성은 사석 및 암반층과 같이 시공 저항이 큰 지반 조건에서 시공 안정성과 효율을 동시에 확보하는 데 중요한 역할을 한다.

2.5 기존 공법과의 비교 및 적용상의 특징

R.S.D 공법은 기존 시트파일 시공 방식과 비교할 때, 사석 및 암반층과 같이 시공 저항이 큰 지반 조건에서 천공 효율이 우수하고 공정이 단순화된다는 특징을 가진다. 특히 본 사례와 같이 사석 매립층이 두껍게 분포하는 지반 조건에서는 기존 공법 대비 천공 시간 단축 효과가 뚜렷하게 나타났으며, 이는 전체 공사 기간 단축과 시공 안정성 확보 측면에서 유의미한 성과로 평가된다.

그림 5는 기존 공법과 R.S.D 공법의 작업 동선 및 연속 시공 개념을 비교한 것이다. 기존 시트파일 시공 방식에서는 각 시트파일 위치마다 개별적인 케이싱 천공 및 인발 공정이 반복되며, 다수의 천공공과 장비 이동이 필요하다. 이로 인해 작업 동선이 복잡해지고, 후속 공정이 지연되는 문제가 발생할 수 있다. 반면, R.S.D 공법은 선행 시트파일과 연계된 연속 천공 개념을 적용함으로써, 시트파일 근입과 후속 천공이 하나의 흐름으로 이어지도록 구성되어 있다. 이에 따라 연속 시공이 가능해지며, 장비 이동 횟수 감소와 작업 동선 단순화를 통해 시공성이 향상된다. 이러한 연속 시공 특성은 사석 매립층이 포함된 매립지 지반에서 공기 단축과 시공 품질 확보 측면에서 중요한 장점으로 작용한다.

다만, 본 공법은 일반 사질토층이나 점토층과 같이 비교적 연약한 지반 조건에서는 기존 공법과 유사한 시공 속도를 보이거나, 경우에 따라 경제성 측면에서 불리할 수 있다. 따라서 R.S.D 공법의 적용은 지반 조건에 대한 사전 검토를 바탕으로, 사석·암반층이 포함된 복합 지층 조건에서 선별적으로 이루어지는 것이 바람직하다.

3.3 연동침하 대응 전략 및 시트파일 적용 계획

본 현장에서 적용된 연동침하 대응 개념을 그림 10에 도식화하였다. 신규 성토 및 구조물 하중이 작용할 경우, 연약 점성토층에서는 압밀 침하가 발생하며, 이로 인한 변형이 인접 구간으로 전달되어 기존 시설물 하부 지반의 추가 침하를 유발할 수 있다. 이러한 연동침하 전달을 차단하기 위해 본 사례에서는 사석 매립층 및 하부 지층을 관통하여 시트파일을 연속적으로 근입하는 방식의 대응 전략을 수립하였다.

시트파일은 연약지반층을 따라 발생하는 침하 변형의 수평 전달 경로를 차단하는 강성 요소로 작용하며, 이를 통해 신규 공사 구간에서 발생하는 침하가 인접 시설물 구간으로 전달되는 것을 저감하는 역할을 한다. 특히 본 현장과 같이 사석 매립층이 두껍게 분포하는 조건에서는 시트파일의 충분한 근입 깊이와 연속성 확보가 연동침하 대응의 핵심 요소로 작용한다.

그림 10과 같은 모식도는 연약지반 상부의 성토 하중, 연약 점성토층의 압밀 거동, 그리고 시트파일에 의한 침하 전달 차단 개념을 종합적으로 나타낸 것으로, 본 현장에서 적용된 시트파일 기반 연동침하 대응 전략을 개념적으로 설명한다.

4장. 적용 결과 및 기술적 고찰

본 사례에서 적용된 사석·암반층 시트파일 시공법(R.S.D 공법)은 사석 매립층이 두껍게 분포하는 매립지 연약지반 조건에서도 시트파일을 안정적으로 근입할 수 있음을 현장 적용을 통해 확인하였다. 특히 기존 시트파일 공법 적용이 어려웠던 사석 및 자갈 혼합층, 풍화암층 구간에서 천공 효율이 뚜렷하게 개선되었으며, 이는 본 공법의 시공 메커니즘에 기인한 결과로 판단된다.

기존 공법과의 천공 작업 소요 시간 비교 결과, 일반 토사층에서는 시간 단축 효과가 상대적으로 제한적이었으나, 사석·자갈 혼합층, 풍화암층 및 연암층에서는 유의미한 천공 시간 단축 효과가 확인되었다. 이는 렉기어 압입 방식에 따른 천공력 증대, 중첩 천공을 통한 미천공부 방지, 분쇄토 잔류 개념에 따른 공정 단순화 등이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 이러한 시공 효율 개선은 전체 공사 기간 단축뿐만 아니라, 시공 중 발생할 수 있는 불확실성을 줄여 시공 안정성 확보 측면에서도 긍정적인 영향을 미쳤다.

연동침하 대응 관점에서 보면, 본 공법은 단순한 시공성 향상 기술을 넘어 시트파일의 연속성과 근입 품질을 안정적으로 확보함으로써 연동침하 전달을 차단하는 구조적 기능을 효과적으로 구현할 수 있었다. 시트파일의 수직도 관리와 연결부 체결이 원활하게 이루어짐에 따라 연속적인 강성 벽체 형성이 가능하였으며, 이는 연약 점성토층의 압밀 침하로 변형이 인접 구간으로 전이되는 현상을 저감하는데 중요한 기능을 한다.

한편, 본 공법은 모든 지반 조건에 일률적으로 적용 가능한 범용 기술이라기보다는, 사석 매립층이나 암반이 혼재된 복합 지층 조건에서 적용 효과가 극대화되는 공법으로 판단된다. 일반적인 사질토층이나 점토층에서는 기존 시트파일 공법과 비교하여 시공 속도 및 경제성 측면에서 상대적인 이점이 제한적일 수 있으므로, 적용에 앞서 지반 조건에 대한 충분한 검토가 선행되어야 한다. 따라서 R.S.D 공법은 지반 특성과 시공 목적을 종합적으로 고려하여 선택적으로 적용하는 것이 바람직하다.

종합하면, 본 사례는 매립지 연약지반에서 발생할 수 있는 연동침하 문제에 대해 시트파일 기반 대응 기술을 현장에 적용하고, 그 적용성과 한계를 함께 확인한 사례로서 의미를 가진다. 특히 사석 매립층이 포함된 복합 지층 조건에서도 시트파일을 활용한 연동침하 대응이 실무적으로 가능함을 보여주었다는 점에서, 향후 매립지 항만 시설, 제방, 수공 구조물 등 유사한 지반 조건을 갖는 현장에서 기술 선택 및 적용 범위를 판단하는 데 유용한 참고 자료가 될 것으로 기대된다.