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1. 서 론


일본 이와테현 키타카미시(北上市)에 본사와 연구소가 위치하고 있는 (株)ASAHITECHNO는 동경지사를 비롯해 일본 전국 총 7개의 영업소를 보유하고 있다. 1998년 Vacuum Deep Well 공법(이하 DW공법)을 개량한 Super Well Point 공법(이하 SWP공법)을 일본 모리오카시(盛岡市) 실내 수영장 건설 공사에서 최초로 상용화에 성공시켰고, 그 후 유한회사를 설립하여 올해로 20주년을 맞이하였다. 토목공사 중에서도 특히 지하수위 저하공법을 중심으로 SWP공법과 Vacuum Press type Recharge Well 공법(이하 VPRW공법)을 이용한 다수의 시공 실적을 확보하고 있으며, 그 외에도 원위치 토양정화, SKK공법 등 많은 특허기술을 보유하고 있다. 일본은 물론, 싱가포르, 한국, 중국, 대만, 필리핀 등 해외에서도 지하수위 저하공사 및 지반 개량공사 관련 다수의 실적을 확보하고 있다.2017년도에는 일본 국제 협력기구(JICA) 해외지원 사업으로 채택되었으며, 일본 경제산업부 지역미래견인기업으로 선정되기도 하였다.본고에서는 (株)ASAHITECHNO의 핵심기술인 SWP공법과 VPRW공법 및 그 시공사례를 소개하고자 한다.


2. 공법 개요

        

(1) SWP공법


그림 1에 SWP공법의 구조도를 나타내고 있다. 비교를 위해 DW공법을 함께 나타내고 있다. 정호관은 일반적으로 직경 400mm의 강관을 이용하며 정호관의 하단부에는 직경 100mm의 흡수공을 설치한다. 정호관 주위에 직경 450mm의 스크린을 강관둘레에 설치하고 흡수공 윗부분에는 수중펌프(일반적으로 200V, 11KW)를 설치한 후 지상에 설치된 진공펌프(200V, 11KW)를 이용해 정호관내의 공기를 흡입하는 흡기호스를 정호관 상부에 연결시킨다. 양수시킨 지하수는 지상에 설치된 노치탱크(Notch tank)에 저장시킨 후 진공펌프의 냉각수로 사용한다.

        

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SWP공법은 DW공법과 같이 정호관내에 스크린을 설치하여 지하수위 저하 시 스크린으로부터 흡입되는 공기로 인해 정호관내를 감압시킬 수 없는 문제가 발생된다. 이러한 문제를 보완하기 위하여 SWP공법은 그림 2와 같이 정호관 내부 구조를 개량하였다. 그림 2에 SWP공법의 지하수 피에조 수두(위치수두+압력수두)를 모식적으로 나타내고 있다. 지하수의 흐름은 Darcy’s law(경험식)로 가정할 수 있으며, SWP공법, DW공법 모두 정호관 내부 지하수의 피에조 수두를 저하시킴으로 정호관 내부 지하수의 피에조 수두와 정호관 주변 지하수의 피에조 수두 사이에서 발생되는 수두차를 이용해 지하수를 집수시킨다. 또한 집수된 지하수는 수중펌프를 이용한 펌핑을 통해 정호관 내부의 지하수위를 저하시킨다.


이에 정호관 내부의 지하수 피에조 수두를 저하시키기 위해서는 지속적인 펌핑이 필요하며 수중펌프를 이용한 펌핑이 정지될 경우 정호관 내부의 수위 상승(수두 상승)으로 집수되는 지하수량이 감소하게 된다. 따라서 집수되는 지하수를 충분히 펌핑 할 수 있는 수중펌프 사용이 매우 중요하다고 할 수 있다. 정호관 내부의 지하수의 집수기능과 펌핑기능은 기본적으로 독립되어 있어, 대용량 수중펌프를 설치한다고 하여 양수량이 증가된다고는 할 수 없다. 그 이유는 정호관 내부 지하수와 정호관 주변 지하수의 피에조 수두 차이로 인해 정호관 내부에 집수되는 지하수의 유속(유량)은 정해진다고 할 수 있으나, 정호관 주변의 지하수위 저하로 인하여 수두차가 저하되어 집수량이 감소될 수 있기 때문이다. 이로 인해 DW공법에서는 수두차가 발생되지 않아 집수가 정지되는 현상(이러한 현상을 ‘정호로스’라고 명명함)가 발생하게 된다.이러한 문제점을 보완하기 위해 SWP공법에서는 정호관 내부의 지하수위를 저하시킬 뿐 아니라 정호간 내부의 공기를 진공펌프를 이용해 감압시켜 정호관 내부의 지하수에 부압(負壓)을 가하여 정호관 내부의 지하수의 피에조 수두를 저하시킨다. 이러한 구조를 사용함으로 SWP공법은 DW공법에 비해 다량의 지하수를 양수시킬 수 있으며 정호관 주변의 지하수위가 저하되어도 정호관 내부 지하수에 부압을 발생시킴으로 피에조 수두차를 지속적으로 유지시켜 정호관 내부에서 정호로스는 발생되지 않는다.

        

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그림 3에 큐슈산업대학에서 수행된 수조시험결과2)를 나타내고 있다. 본 시험은 높이 64cm, 직경 231cm의 반 원통 수조에 모래(규사 k=5.0×10-2cm/sec)를 충진시키고 원통 주변에 망을 설치하여 외부에 수조를 제작하였다. 직선 부의 중앙에 정호관을 설치하였으며, 정호관 내부 스크린은 하단 높이 14.5cm, 길이 3cm 로 제작되었다. 그림 3에는 비교를 위해 DW공법의 결과를 함께 나타내고 있다. 그림 3으로부터 부압(負壓)을 가압시킴과 동시에 수위가 크게 저하되고 수위 저하는 정호관 주위뿐만 아니라 주변에서도 크게 발생되는 것을 알 수 있다. SWP공법은 이와 같이 정호관 내부 수위를 저하시킬 뿐만 아니라 부압(負壓)을 가하여 피에조 수두를 크게 저하시킬 수 있는 공법이다.


그림 3에서 SWP공법과 DW공법(Pw=0)은 동일한 깊이에 정호관을 설치하고 있다. 저하된 지하수위를 비교하면 SWP공법으로 수행된 정호관 주변의 지하수위 저하를 DW공법을 이용하여 수행하기 위해서는 더욱 깊은 심도까지 정호관을 설치하여야 하는 것을 알 수 있다. 이로 인해 양수량은 증가되고 정호관 주변의 광범위한 범위에서의 지하수위 저하가 발생된다. 즉 SWP공법은 DW공법과 비교해 큰 양수 능력을 발휘할 수 있으므로 비교적 얕은 깊이에 정호관을 설치하여도 소정의 지하수위 저하를 실현시킬 수 있다. 이로 인해 펌핑량은 DW공법에 비해 매우 적다고 할 수 있으며, 주변의 지하수위 저하도 적게 발생되어 주변 지반의 지반침하 등의 영향을 최소화 시킬 수 있다. 이 점이 SWP공법의 매우 큰 특장점이라고 할 수 있다.

        

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(2) VPRW공법

        

① 기존 응축수공법의 문제점
일반적으로 정호관 내부 및 지상의 노치탱크에 응축수를 저장시킬 경우, 용해성 철분이나 망간 등 지하수가 공기에 노출됨과 동시에 산화되어 콜로이드를 함유한 적수(red water)가 발생된다. 이러한 콜로이드와 지하수에 포함된 세립분은 정호관 주변의 투수성을 저하시키고 배관 곳곳에서의 막힘현상의 원인이 된다. 콜로이드 등은 세립모래를 이용하여 세척/제거할 수 있으나, 이로 인한 막대한 비용이 발생하게 된다.
또한 응축수에 수압을 가할 경우 주변 지하수위보다 높은 정수압을 가하여도 수압이 부족하여 정호를 증설시키거나 투수성을 높이기 위해 깊은 심도까지 자갈층을 설치해야 하는 경우가 다수 발생된다. (株)ASAHITECHNO에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 VPRW공법을 개발하였다.


② 개량원리
VPRW공법은 SWP공법과 일체화시킴으로 종래 공법의 문제점을 극복시킬 수 있으며 환경과 비용면에서도 큰 장점을 보유하고 있다. 그 개요 및 특징을 그림 4에 나타내고 있다.
SWP공법 정호관에서 지하수를 탈기시킬 경우 배관을 이용해 응축시킴으로 지하수의 산화를 방지시키고 콜로이드 발생을 억제시킬 수 있다. 또한 고속 세척기를 사용해 양수정 및 응축수 정호관 주변의 부유 미립자를 제거시켜 미세한 모래를 포함시키지 않은 지하수를 양수·복수시킴으로 배관의 막힘현상을 방지시킬 수 있다.
응축시의 압력부족의 대책으로는 프레스펌프를 이용한 가압과 동시에 지수 패커에 의해 응축수 타격을 방지시킬 수 있는 방법이 사용된다. 최근 일본에서는 지반 굴착으로 인한 heaving(rising of the bottom) 방지 대책으로 하부 모래층의 수위를 저하시켜 Dry work가 가능한 SWP공법과 일체화 시킨 VPRW공법 적용 사례가 증가하고 있다. 기존 공법과 비교하여 투수계수가 낮은 지층에서도 필요한 복수량을 충분히 확보할 수 있는 점도 VPRW공법의 큰 특장점이라고 할 수 있다.


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3. 주요 적용 사례


3.1 한국


3.1.1 잠실역 버스환승센터 조성사업(발주처: 롯데건설, 2015)

2015년 잠실역 버스환승센터 조성사업에 있어 지하수위 저하공법으로 SWP공법이 선정 수행되었다. 본 현장은 운행 중인 지하철 8호선 상부에 지하 버스환승센터를 조성하는 사업으로 근접시공으로 인한 지하철 8호선의 안전성을 종합적으로 검토할 필요가 있었다. SWP공법은 지하철 8호선 박스구조물의 부력이 예상되는 구간에 대하여 지하수위 저하를 목적으로 수행되었다.


그림 5에 시공구간의 전경을 나타내고 있다.검토 결과 지하수 부력에 의한 지하철 8호선 구조물의 안정성을 확보하기 위하여 총 4본의 SWP 설치가 필요한 것으로 확인되었다. 그림 6에 잠실역 버스환승센터 조성사업 평면도 및 단면도를 나타내고 있다.시공에 앞서 예비양수시험을 통해 SWP 시스템의 정상가동을 확인하였으며, SWP 운행기간은 잠실역 버스환승센터 조성사업 중 지하구조물 바닥 슬라브 타설 완료시까지이나 현장의 지하수위 여건을 고려하여 조정되었고, 예정된 운영기간 동안 진공펌프 및 배관 라인의 주기적인 점검을 통해 안정적으로 운영되었다.


공사 완료 후 지하수위 계측결과, 원설계자가 제시한 관리기준치에는 일부 구간 미도달되었으나 이는 최소 토피고를 기준으로 산정한 관리기준치로 실제 현장조건을 감안하여 구간별 토피고를 고려하여 부력을 재검토한 결과 8호선 인근 지하수위 관측공의 지하수위는 부력에 대한 안정성을 확보하였으므로, 현장의 후속공정 진행이 가능한 것으로 확인되었다.

        

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3.2 일본

        

3.2.1 일본 센다이공항(仙台空港) 액세스철도 개착 터널공사(발주처 : 일본 국토교통성 동북지방 정비국, 2004)

본 현장은 센다이 공항 활주로 끝단을 횡단하는 지하부위의 굴착공사로 지하수위가 TP+0.5m로 매우 높아 주변 지하수위 상승을 억제할 필요가 있는 현장이었다. 또한 지하수에 다량의 용해성 철분이 함유되어 있는 것으로 확인되어, 지하수위 저하 공법으로 SWP공법과 복수공법으로 VPRW공법이 선정 수행되었다.공사 결과, 펌핑 및 예정된 응축수 흡입량은 달성되었으나, 실트미립토의 제거 및 점성토 층의 정호관 주위의 그라우트 시공공법, 응축수의 가압력에 대한 배관재 압축강도 등 향후 검토해야 할 과제가 다수 확인되었다. 관련된 자세한 사항은 향후 별도 투고하고자 한다.

        

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3.2.2 일본 네리마(練馬) 쓰레기 처리장 개발 (발주처: 일본 도쿄 23구 청소사업조합, 2012)
현재 일본에서는 도시지역에서의 건축물 높이 규제로 인해 쓰레기 처리장의 지하화가 활발히 진행되고 있다. 이로 인해 처리장 재건축시에는 지반 굴착 시 heaving(rising of the bottom) 대책과 지하수위 저하 공법으로 인한 지하수 처리 관리가 중요한 화두로 대두되고 있다. 일본 네리마 쓰레기 처리장 공사현장에서는 SWP공법과 VPRW공법이 적용되었으며, 그 결과 지하수 및 자유수 수위를 목표 수위까지 저하시킬 수 있었고, heaving(rising of the bottom)도 발생되지 않아 시추작업을 Dry work로 수행할 수 있었다(그림 8). 또한 흙막이 벽 외부의 천층부에서의 지하수위 저하는 전혀 발생되지 않았으며, 양수한 지하수는 복수 정호관을 통해 약 39,000㎥ 복수되었다. 일본 동경에서는 그 외에도 스기나미 쓰레기 처리장(재건축)에서도 본 공법이 적용되었다.


3.2.3 이치카와시(市川市) 하수처리장 건설공사 (발주처: 일본하수도사업단, 2013)
대상지는 도쿄만의 충적 평야부에 설치되어 있는 하수처리 시설과 시모우사 대지에서 유입되는 하천에 근접되어 있으며, 근처에 주택지가 분포되어 있는 이유로 heaving(rising of the bottom) 방지가 절실히 요구되는 현장이었다. 이에 heaving(rising of the bottom)과 주변 주하수위 저하로 인한 지반침하를 억제시킬 수 있는 SWP공법이 선정/수행되었으며, 복수공법으로는 VPRW공법이 선정/수행되었다(그림 9).
그 결과, 지하수 및 자유수 수위를 목표 수위까지 저하시킬 수 있었고, heaving(rising of the bottom)도 발생되지 않아 시추작업을 Dry work로 수행할 수 있었다.


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4. 맺음말

        

본고에서는 (株)ASAHITECHNO의 핵심기술인 SWP공법과 VPRW공법의 개요 및 그 시공사례를 소개하였다. SWP공법은 진공 펌프를 이용하여 발생되는 정호관내에서의 부압(負壓)을 이용해 지하수를 집수시키는 점, VPRW공법은 SWP의 부압(負壓)을 지하수의 탈기에 이용하는 점이 다른 공법과 차별되는 획기적인 특장점이라고 할 수 있다.


SWP공법, VPRW공법은 일본은 물론 싱가포르, 한국, 중국, 대만, 필리핀 등 해외에서 다수의 실적을 보유하고 있는 공법으로, 최근 집중호우 등의 자연재해가 증대하고 있는 상황에서 향후 다양한 방면에서의 적용을 기대할 수 있다.


(문의 사항은 함태규 hamtg@naver.com로 연락 바랍니다.)


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