한국지반공학회 (地盤 magazine)

도심지 대심도 대단면 정거장 터널 설계사례

- 수도권광역급행철도 C노선을 중심으로 -

1. 서 론

수도권의 계속된 개발로 인구 집중 및 지역적 팽창이 지속됨으로 인해 지상 도로망의 확충으로는 증가된 차량의 원활한 통행을 보장하기 어려워지고 있으며, 이에 수도권의 지하 철도망이 지속적으로 확장되어 왔다. 하지만, 기존의 지하철은 정차역간 짧은 간격, 작은 곡선반경 등으로 표정속도가 낮음에 따라 장거리 이동 시 많은 시간이 소요된다. 수도권광역급행철도는 설계속도 200km/h, 최고 영업운행속도 180km/h, 표정속도 80km/h 이상 고속 운행함으로써 장거리 주요 거점역간 이동시간을 단축시켜 수도권 주민들의 교통복지를 증진하고, 통행수요를 대처하여 만성적 수도권 교통난을 해소하기 위한 광역급행철도망 구축사업이다. 현재 A노선이 삼성정거장을 제외한 운정~서울역, 수서~동탄 구간을 운행하고 있고, 송도~망우의 B노선은 민간투자사업 구간과 제정사업 구간으로 나뉘어 2025년에 본격 착공을 시작하였다. C노선은 덕정~청량리, 삼성~수원의 주요 거점역을 30분대 연결하는 광역급행철도망으로 2023년 12월 실시계획이 승인되었고, 2026년 전반기 중 착공을 앞두고 있다.

수도권에서 지속적으로 진행되어온 지하 철도망의 확장과 2010년대 이후 진행된 서울시 지하도로망 등으로 지표 인근은 이미 터널이 과밀한 상태임에 따라 후속으로 계획되는 교통 터널(철도, 도로)은 심도가 점점 증가할 수밖에 없는 상황이다. 철도의 경우 주요 거점역들은 노선간 환승이 필수적이므로 신규 철도 노선의 정거장 역시 깊은 심도에 계획하는 것이 불가피 하다. 더욱이 지상에 개착공사가 가능한 부지를 확보하는 것이 매우 제한적임에 따라 과거와 같이 대규모 개착공사에 의한 정거장 구조물 시공이 어려운 경우가 많다. 이러한 사유들로 대심도 대단면 정거장 터널의 계획이 앞으로도 증가될 것으로 판단된다.

본 기사에서는 정거장 계획고가 대부분 60m 이상에 위치하는 수도권광역급행철도 사례를 통해 대심도 대단면 정거장 터널의 단면, 지보, 굴착공법 설계사례를 소개하고자 한다.

2. 사업 개요

GTX-C 사업은 주요거점역인 덕정~청량리, 삼성~수원을 30분대 연결하는, 수도권 동북부와 수도권 서북부 지역에서 서울 중심부로의 접근성 향상으로 장거리 통행수요를 대처하고 이동시간을 단축하는 광역급행철도망이다.

그림 1에 보여진 바와 같이 GTX-C노선은 총 14개소의 정거장이 계획되었다. 전용구간인 창동 ~ 정부과천청사 구간의 7개소의 정거장 중 재정 사업으로 별도 진행 중인 영동대로 복합환승센터 개발사업에 포함된 삼성 정거장을 제외한 총 6개 정거장이 터널 정거장으로 계획되었다.

3. 정거장 터널의 일반사항

3.1 개 요

일반적인 철도 본선터널은 복선터널(상·하행 양방향 열차 운행)을 기준으로 폭 11m, 높이 9m 정도의 규모이다. 정거장 터널은 열차가 운행하는 선로 폭원에 승객의 승하차를 위한 승강장 폭원을 감안하여야 한다. 승강장 폭원은 여객수요, 열차운행계획 및 시설물계획(기둥, 계단) 등에 의해 결정되며, 철도역사 설계기준(KR A-03020)의 고상 승강장 폭 기준에 따르면 섬식은 9.5m, 상대식은 6.5m의 최소폭이 필요하다. 승강장의 최소폭 기준을 적용하더라도 정거장 터널은 20.5m(섬식 승강장) ~ 24.0m(상대식 승강장) 이상의 폭원이 필요하게 되어, 대단면 터널의 계획이 불가피하다.

3.2 정거장 터널의 분류

국내 정거장 터널의 시공 사례로부터 그림 2와 같이 정거장 터널의 형식을 분류해 보았다. 그림 2에서 저심도와 대심도는 수치화된 구분 기준이 없는 상대적 개념이나, 개착공법에 의해 경제성을 확보하며 시공이 가능한 심도를 기준으로 하여 저심도와 대심도 정거장을 구분하였다.

터널 심도가 상대적으로 얕은 경우, 대합실과 기능실 등의 승무시설 공간을 개착공법에 의한 BOX로 설계하면 정거장 터널의 단면 또는 규모를 최소화 할 수 있다. 첫 번째는 정거장 터널 내 열차 선로와 승강장 공간만을 확보하는 경우로써 3~4Arch 터널을 적용하여 최소 단면으로 계획할 수 있으며, 신분당선 미금정거장을 예로 들 수 있다. 두 번째는 일부 승무시설을 승강장 층 상부에 계획하여 1-Arch 대단면 터널을 적용하는 경우이다. 이 경우 대부분의 정거장 시설(전기실, 기계실, 화장실 등)은 개착 구조물로 계획함으로써, 이동 통로 터널만 정거장 터널에 대한 접속터널로 계획하여 전체 정거장 터널의 규모를 최소화 할 수 있으며, 서울지하철 6호선 녹사평 정거장을 예로 들 수 있다. 이에 비해 대심도 정거장은 모든 시설을 터널로 계획함에 따라, 터널의 단면과 규모가 모두 대규모로 계획되게 된다.

3.3 대단면 터널 계획시 고려사항

그림 3(a)는 GTX-C의 복선터널과 정거장 터널 대표단면의 굴착 단면적을 비교한 것이다. 정거장 터널의 단면적이 복선터널의 5.0 ~ 6.4배에 이른다. 이러한 터널 단면의 증가는 굴착에 따른 이완영역 증가, 다층지반의 출현 가능성 증가, 지보재 지지능력 감소 등의 공학적 문제와 작업원과 장비의 접근성 저하, 굴착 및 버력처리시간 증대와 같은 시공적 문제를 야기하게 된다. 대단면 터널의 계획시 검토해야할 공학적, 시공적 고려사항을 표 1에 정리하였다.

4. 대심도 정거장 터널의 표준단면

4.1 표준단면 결정을 위한 인터페이스

GTX-C의 전용구간 정거장은 G.L(-)57.5~81.8m에 위치하고 있고, 입지조건이 서울시 내의 환승 정거장으로 정거장 주변 여유공간의 확보가 극히 어렵다. 이에, 지상 돌출시설을 최소화 하고 대부분의 시설이 지하 터널에 배치되는 그림 2의 대심도 정거장으로 계획되었다.

정거장 층은 승객 수요와 내부계단, 기둥 등을 고려한 승강장 폭원을 확보하고 전차선을 비롯한 시스템 분야 인터페이스를 고려한 내공(폭, 높이)을 확보하여야 한다. 승강장 윗층은 대합실과 기능실(전기실, 기계실 등) 등을 배치하고, 지상에서부터 승강장 접근을 위한 승객 이동통로용 연결터널과 부속터널(화장실, 승무공가 등)의 접속 위치가 고려되어야 한다.

4.2 정거장 터널의 표준단면

앞서 언급한 고려사항을 감안한 GTX-C의 정거장 터널 표준단면을 표 3과 그림 5에 정리하였다. 또한, 대단면 정거장 터널이 적용된 대곡~소사, GTX-A, 월곶~판교, 대장~홍대 철도건설 사업의 표준단면 설계사례를 표 4와 그림 6에 정리하였다.

표 3, 4로 부터 정거장 터널의 단면적 규모를 결정하는 가장 큰 요인은 승강장 폭이라는 것을 알 수 있다. 정거장 터널에 접속되는 부속터널이나 승강장 윗층의 대합실 및 기능실의 소요 면적도 정거장 터널 단면적 규모에 일부 영향이 있으나, 전체적인 터널의 구조적 안정성 확보를 위한 Arch 형태 검토단계에서 조정 가능한 수준이라고 판단된다.

5. 대단면 정거장 터널의 지보패턴

터널의 지보 설계 개념은 굴착 후 록볼트, 숏크리트, 강지보를 설치하여 굴착 주변 지반 Arching에 의한 지반의 지보능력을 최대한 활용하는 것이다. 대단면 터널에서는 이완영역이 복선터널 대비 증가하기 때문에 이를 고려한 지보계획과 굴착안정성 및 시공 싸이클을 고려한 적정한 분할 굴착계획의 수립이 필요하다. 여기에서는 대단면 터널에서 록볼트 대신 적용되는 케이블 볼트와 대단면 터널의 분할 굴착공법에 대해 간략히 소개하고자 한다.

5.1 대단면 터널 굴착공법

터널의 굴착공법은 지반조건, 인접 시설물에 따른 침하관리, 장비운용 등을 고려하여 결정하며, 중벽분할, 링컷, 선진도갱, 다단벤치가 대표적이다. 철도 복선터널의 경우 전단면 굴착, 상하 분할굴착이 일반적이며, 불량한 지반조건에서는 상반을 중벽분할이나 링컷으로 적용함이 일반적이다.

이에 비하여 정거장 터널과 같은 대단면 터널은 큰 단면에 따른 안정성 확보, 버력량 등을 감안하여야 하기 때문에 표 5의 여러 굴착공법이 조합된 형태가 된다. 대단면 정거장 터널에 적용된 분할 굴착 적용사례를 그림 7에 나타내었다. 우선, 굴착장비의 운용을 위해 다단벤치가 기본적으로 적용된다. 최상단의 경우에는 막장 안정 확보가 중요하기 때문에 천단부의 지반 아칭 형성 등을 위해 선진도갱 방식을 취할 수 있는 형태로 분할 굴착을 계획하고, 중반 및 하반은 버력 처리 등 시공 싸이클을 고려하여 분할 수를 계획한다.

대단면 정거장 터널은 굴착단면이 매우 크고(표 4의 사례 386.0~457.6m2), 9~12분할 굴착을 적용함이 일반적이기 때문에 전체 단면의 시공 싸이클이 매우 길게 소요되므로, 공사기간을 단축하기 위한 입체적인 시공계획이 필수적이다. 철도의 정거장 터널은 출입구와 환기를 위한 수직구가 다수 배치되므로 이를 활용한 굴착 동선을 계획한다. 그림 8은 GTX-C 정거장 터널의 굴착 계획 개념도이다. 정거장 중심부의 연결통로를 통해 정거장의 상반, 중반을 굴착하면서, 본선 진입터널을 통해 본선을 굴착한다. 정거장의 상반, 중반 굴착이 완료되면 본선에서 정거장 중심을 향해 정거장의 하반을 굴착하는 것으로 계획하였다.

5.2 케이블 볼트 지보공법

GTX-C 및 유사 프로젝트의 대단면 정거장 터널 표준단면 사례에서 확인한 바와 같이, 정거장 터널의 높이는 17.0 ~ 19.5m, 폭은 25.0 ~ 30.5m으로 일반적인 철도 복선터널의 크기가 높이 8.0m, 폭 11.0m 정도인 것에 비추어 2배 이상의 크기를 갖는다. 또한, 정거장 터널의 면적은 그림 3에 보인바와 같이 복선터널의 5.0 ~ 6.4배에 이른다. 따라서, 굴착에 따른 이완영역의 범위가 훨씬 크기 때문에 본선 터널의 록볼트 표준 길이인 4.0m로 충분한 지보능력을 기대하기 어렵고, 단순히 크기 효과를 감안하더라도 8.0m 이상의 록볼트 길이를 적용하여야 한다. 이러한 경우, 대단면 정거장 터널의 분할 굴착 단면의 공간 내에서 긴 길이의 록볼트를 취급하는 문제와 작업성 저하 등을 고려하여 최근에는 케이블 볼트를 적용하고 있다.

케이블 볼트는 록볼트와 비교해 쉽게 구부려지기 때문에 협소한 공간에서 긴 길이의 설치가 가능하며 40m까지 시공 가능하다. 또한, 강선의 꼬는 형태에 따라 다양한 성능으로 적용이 가능하며 천공홀 크기가 충분하면 강선 수에 따라 인장강도의 조정도 가능하다. 케이블 볼트는 단부와 두부 정착방식에 따라 그림 10과 같이 분류되며, 그림 11와 같은 전용 장비로 시공한다.

5.3 정거장 터널의 지보패턴

그림 3(b)에 언급한 바와 같이 대단면 터널은 이완영역이 증가하고 천단부는 아치 span 증가로 원지반의 지보기능이 감소한다. 이에 분할굴착 및 강관다단 그라우팅 적용으로 대단면 굴착 진행에 따른 이완영역의 확산을 최소화하고, 이완영역이 증가된 지반의 지보능력 확보를 위해 장심도 케이블 볼트를 적용한다. 또한, 천단부의 아치 span증가로 편평율이 작으므로 고강도 숏크리트(35MPa)와 강재보재(H-Pile)를 적용하여 지보재의 강성을 증가시킴으로써 대단면 굴착에 따른 막장 안정을 확보한다.

표 6은 유사 사례에 적용된 대단면 정거장 터널의 지보패턴을 RMR 41~60 암반조건을 기준으로 비교한 것이다. 최근에는 케이블 볼트와 고강도 숏크리트, 강지보재(H-125)의 적용이 일반적 지보패턴임을 확인 할 수 있다. 굴착공법은 3단 9분할의 적용사례가 다수이며, 일부 4단 12분할의 사례도 있다.

6. 대심도 정거장의 구성

6.1 GTX-C 정거장 터널 현황

GTX-C 전용구간의 6개 정거장 터널 조감도를 그림 12에 나타내었다. 승객의 정거장 접근은 수직구를 통해 이루어지며, 수직구와 정거장을 연결하는 연결통로, 기계실, 환기풍도, 대피통로, 화장실 등이 위치하는 부속터널이 정거장 및 수직구와 연결되어 있다. 왕십리와 양재 정거장은 타 노선과의 환승통로 터널이 추가 계획되었고, 청량리 정거장은 B노선 정거장 터널이 사업 범위에 포함되어 있어 정거장 터널이 병설로 설계되었다.

6.2 정거장 접속되는 부속터널

그림 13은 양재 정거장의 부속터널 현황이다. 환승 노선과의 연결통로가 출입용 수직구와 연결되고, 정거장 터널 단면내에 수용할 수 없는 부속시설은 정거장 터널의 대합실층(2층)에 접속시키는 형태로 배치하였다. 표 7은 GTX-C에 적용된 각종 정거장 부속터널 중 대표적인 몇 종류의 표준단면이다. 부속터널의 단면크기는 승객 수요, E&M(전기, 기계, 신호, 통신) 분야의 필요 내공단면을 감안하여 결정하며, 부속터널 중 작은 단면도 폭 10m, 높이 8m 이상의 규모여서 본선터널과 비슷한 크기이다. 이러한 부속터널들이 3차원적으로 배치되므로 접속부 보강계획, 배수계획 등에서 세심한 계획이 필요하다.

alt

7. 결 언

국내 광역 철도망의 확장으로 도심지의 경우 대단면 정거장 터널 적용사례가 증가하고 있다. 본 고는 수도권광역급행철도 C노선의 사례를 중심으로 대심도 대단면 정거장 터널 사례를 간략히 소개하였다. 정거장 터널은 일반적인 철도 복선터널에 비해 설계 및 시공 사례가 제한적이기 때문에, 앞으로 설계와 시공의 상호 피드백을 통해 개선이 가능한 부분이 많을 것으로 생각된다. 본 고에 소개한 사업에서도 시공 중 다양한 설계변경 사례가 있을 수 있다. 본 사업노선의 대단면 정거장 터널에 대해 설계 시 검토된 시공방안에 대해 충실한 검증 및 보완을 하여 성공적으로 시공을 수행함으로써, 향후 유사 사례 설계 및 시공 시 조금이나마 도움이 될 수 있도록 하겠다.

참고문헌

1. 지티엑스씨(주)(2024), 수도권광역급행철도 C노선 민간투자사업 실시설계보고서

2. 지티엑스씨(주)(2024), 수도권광역급행철도 C노선 민간투자사업 구조물설계도

3. 신영완(2005), 케이블 볼트의 소개, 한국지반공학회지 지반, 제21권 제10호

말뚝재하시험 적용 기준의 합리적 개선 방안

- 시험방법 선정, 실시 수량 및 시험 시기를 중심으로 -

1. 서 론

말뚝재하시험은 말뚝의 설계지지력 검증과 시공 품질관리를 위하여 수행되는 대표적인 현장시험이다. 현재 국내 말뚝재하시험 관련 기준에서는 시험방법에 대한 기술적 절차는 비교적 명확하게 규정하고 있으나, 시험방법의 선정 기준, 최소 실시 수량 및 시험 실시 시기에 대한 구체적이고 체계적인 가이드라인은 충분히 정립되어 있지 않다. 이로 인해 동일한 현장 조건에서도 발주기관, 설계자, 시공자 및 감리자 간 기준 해석과 적용 방식에 차이가 발생하고 있으며, 시험 적용의 일관성과 객관성이 저하된다는 문제가 지속적으로 제기되고 있다.

한편 말뚝의 지지력은 시간 경과에 따라 변화하는 특성을 가지며, 이러한 변화는 지반의 재배열, 말뚝-지반 상호작용의 변화, 콘크리트 및 시멘트밀크의 양생 효과 등에 의해 영향을 받는다. 따라서 재하시험 시점에 따라 평가되는 지지력과 거동 특성이 상이하게 나타날 수 있으므로, 적정 시험 시기의 설정은 설계지지력평가의 신뢰도 확보와 시공 품질관리 측면에서 핵심적인 요소라 할 수 있다.

또한 국내 건설기준 체계는 시험방법 규격(KS), 시공 및 시험 절차(KCS), 설계 및 적용 기준(KDS)으로 구분되어 운영되고 있으나, 각 기준의 역할과 적용 범위가 명확히 정립되어 있지 않아 실무 적용 과정에서 혼선이 발생하는 경우가 있다. 더불어 발주기관별 전문시방서에서도 시험방법 선정과 시험 시기에 대해 상이한 기준을 제시하고 있다.

이에 본 연구에서는 국가설계기준(KDS), 국가표준시방서(KCS), 한국산업표준(KS) 및 주요 발주기관 전문시방서(한국도로공사, LH공사)를 비교·분석하여 말뚝재하시험의 시험방법 선정 기준, 최소 실시 수량, 말뚝 시공법별 시험 실시 시기 기준의 적용 현황과 한계를 체계적으로 검토하였다. 또한 이를 바탕으로 말뚝재하시험의 현장 적용성과 품질관리 기능을 동시에 고려한 기준 재정립 방향을 제시하였다.

본 연구의 결과는 말뚝재하시험 관련 국가설계기준 및 국가표준시방서의 개선을 위한 기초자료로 활용될 수 있으며, 나아가 현장 적용성 향상과 품질관리 체계의 합리화에 기여할 것으로 기대된다.

2. 말뚝재하시험의 종류와 특성

말뚝재하시험은 말뚝의 지지력과 하중 전달 거동을 평가하기 위한 대표적인 현장시험으로, 크게 동재하시험(Dynamic Load Test)과 정재하시험(Static Load Test)으로 구분된다. 또한 말뚝의 거동 특성과 시공 품질을 보완적으로 확인하기 위한 다양한 보조 시험이 병행될 수 있다.

2.1 동재하시험

동재하시험은 PDA(Pile Driving Analyzer)를 이용하여 수행되는 시험으로, 말뚝 두부에 해머에 의한 충격하중을 가하고 이에 따른 응력파 응답을 계측·해석함으로써 말뚝의 지지력과 하중 전달 특성을 평가하는 방법이다. 본 시험은 비교적 짧은 시간 내에 수행이 가능하여 다수의 말뚝에 적용할 수 있으며, 시공 과정에서 병행 적용이 가능하다는 점에서 품질관리 수단으로서 활용성이 높다. 또한 하중 전달 특성과 지지력 분담 거동을 간접적으로 평가할 수 있다는 특징을 가진다.

2.2 정재하시험

정재하시험은 말뚝에 정적인 하중을 재하하고 이에 따른 변위 거동을 측정함으로써 지지력과 거동 특성을 평가하는 시험이다. 시험 목적과 재하 방향에 따라 다음과 같이 구분된다.

가. 압축정재하시험: 연직 하향하중을 단계적으로 재하하여 ‘하중-침하’ 관계를 측정하여 말뚝의 극한지지력과 침하 특성을 평가하는 시험이다.

나. 양방향재하시험: 말뚝 내부에 설치된 재하장치(O-cell)를 이용하여 상·하 방향으로 동시에 하중을 재하하는 시험으로, 반력 시스템 설치가 어려운 경우나 대구경 현장타설 말뚝 또는 고지지력 말뚝에서 적용성이 높다.

다. 수평재하시험: 수평하중을 재하하여 말뚝 두부의 수평변위를 측정하고, ‘하중-변위’ 관계를 통해 말뚝의 수평지지력을 평가하는 시험이다. 주로 교량, 옹벽, 해상구조물 등 수평하중이 지배적인 구조물에 적용된다.

라. 인발재하시험: 연직 상향하중을 재하하여 말뚝의 인발지지력(인발저항력)을 평가하는 시험으로, 부력 또는 인발력 저항이 요구되는 구조물에서 중요하게 활용된다.

2.3 기타 관련 시험

말뚝의 지지력을 직접 평가하는 재하시험 외에도, 말뚝의 거동 특성 및 시공 품질을 확인하기 위한 보조 시험이 수행된다.

가. 하중전이시험(Load Transfer Test): 말뚝 내부에 설치된 변형률계 등을 통해 심도별 축력 분포를 측정·분석함으로써 주면마찰력과 선단지지력의 분담 특성 및 하중 전달 메커니즘을 평가하는 시험이다.

나. 건전도시험(Integrity Test): 저변형률 충격시험(PIT, Pile Integrity Test 등)을 이용하여 말뚝 내부의 결함 여부와 단면 변화 등을 확인하는 시험으로, 말뚝의 시공 품질 평가에 활용된다.

3. 말뚝재하시험 관련 규격 및 시방서 현황

3.1 한국산업표준(KS)

KS 규격에서는 말뚝재하시험과 관련하여 압축정재하시험(KS F 2445), 동적재하시험(KS F 2591) 및 양방향재하시험(KS F 7003)의 시험방법을 규정하고 있다. 그러나 수평재하시험 및 인발재하시험에 대한 별도의 규정은 제시되어 있지 않으며, 재하시험의 실시 수량이나 시험 빈도에 대한 기준도 포함되어 있지 않다. 따라서 KS 규격은 말뚝재하시험의 수행 방법과 기술적 절차를 규정하는 시험방법 중심의 기준으로 볼 수 있다.

3.2 국가표준시방서(KCS)

국가표준시방서(KCS 11 50 40)에서는 압축정재하시험, 양방향재하시험, 동재하시험, 인발재하시험, 수평재하시험의 적용과 절차를 규정하고 있다. 그러나 시험의 최소 실시 수량, 시험 빈도 및 구체적인 시험 실시 시기에 대한 기준은 제시되어 있지 않다. 즉, KCS는 시공 단계에서의 시험 적용과 절차를 규정하는 성격을 가지며, 시험의 적용 범위나 빈도에 대한 구체적인 기준은 포함하고 있지 않다.

3.3 국제 규격(ASTM)

말뚝재하시험과 관련하여 국내에서도 참고 기준으로 널리 활용되는 ASTM 규격에서는 압축정재하시험(ASTM D1143), 동재하시험(ASTM D4945), 수평재하시험(ASTM D3966), 인발재하시험(ASTM D3689) 및 양방향정재하시험(ASTM D8169)의 시험방법을 규정하고 있다. 그러나 ASTM 규격 역시 시험방법 중심의 기준으로, 시험 실시 수량이나 시험 빈도에 대한 규정은 포함되어 있지 않다.

4. 국가설계기준(KDS)의 시험방법 및 실시 수량 기준

4.1 깊은기초 설계기준(KDS 11 50 15)

KDS 11 50 15에서는 정재하시험을 원칙적으로 실시하되, 시험 목적, 공사 규모와 중요도, 실시 수량, 현장 여건을 고려하여 동재하시험의 적용을 허용하고 있다. 또한 지반조건의 변화가 크지 않은 경우 압축정재하시험의 최소 실시 수량은 전체 말뚝 수량의 1% 이상으로 규정하고 있으며, 전체 말뚝 수량이 100본 미만인 경우에는 최소 1본 이상을 실시하도록 하고 있다.

한편, 시공 조건 또는 지반조건의 변화가 발생하는 경우에는 시험 횟수를 추가하거나 발주기관과 협의를 통해 별도의 시험 수량을 정할 수 있도록 규정하고 있다. 이는 말뚝재하시험을 설계지지력 검증을 위한 대표 시험으로 규정하면서도, 현장 조건에 따라 시험 범위를 유연하게 조정할 수 있도록 한 것으로 해석된다.

4.2 건축구조기준 구조검사 및 실험(KDS 41 10 10)

KDS 41 10 10에서는 말뚝의 구조적 안전성과 지지력 검증을 위해 정재하시험 또는 동재하시험의 선택적 적용을 허용하고 있으며, 고지지력 현장타설 말뚝의 경우 양방향재하시험의 적용도 고려할 수 있도록 규정하고 있다. 압축정재하시험의 최소 실시 수량은 지반조건의 변화가 크지 않은 경우 전체 말뚝 수량의 1% 이상(100본 미만 최소 1본) 또는 구조물별 1회 이상으로 제시되어 있다.

또한 기성말뚝의 경우, 전체 말뚝 수량의 1% 이상(100본 미만 최소 1본)에 해당하는 시험말뚝에서 초기 동재하시험(EOID test), 시간 경과 효과를 평가하기 위한 재항타 동재하시험(Restrike test)을 실시하도록 규정하고 있다. 더불어 시공 완료 후 품질 확인을 목적으로 본시공 말뚝 수량의 1% 이상에 대해 재항타 동재하시험을 실시하도록 하고 있다. 다만, 각 시험의 구체적인 실시 시기 및 경과 시간에 대한 정량적 기준은 별도로 제시되어 있지 않다.

4.3 국토교통부 질의회신 및 품질관리 제도 변화

말뚝재하시험의 시험방법 선정 및 실시 횟수와 관련하여 실무에서 발생하는 해석상의 혼선을 해소하기 위해, 국토교통부(2024)는 KDS 41 10 10 적용 시 정재하시험 또는 동재하시험 중 하나를 선택하고, 선택된 시험방법에 대해 규정된 시험 수량 기준을 적용하는 것이 타당하다는 해석을 공식적으로 제시하였다.

또한 국토교통부(2025a)는 품질관리 업무지침 개정을 통해 현장 여건에 따라 동재하시험을 선택 적용할 수 있도록 제도를 개선하였으며, 시험 빈도 기준을 기존의 “필요시”에서 전체 말뚝 수량의 1% 이상으로 명확히 규정하였다. 아울러 대구경 말뚝에 대해서는 양방향재하시험을 품질시험방법으로 포함시켜 시험방법의 적용 범위를 확대하였으며, 시험 빈도는 공사시방서에 따르도록 하였다.

4.4 동재하시험 선택 적용의 실무적 근거

정재하시험은 설계지지력을 직접적으로 검증할 수 있는 가장 신뢰도 높은 시험방법이다. 그러나 반력 시스템 설치가 필요하고 시험 기간이 길며, 안전관리 및 공정 측면에서도 부담이 크다는 한계가 있다. 이로 인해 일반적으로 대표 말뚝에 한정하여 적용되며, 전체 말뚝에 대한 지지력 균일성 평가에는 제약이 따른다(표 1).

반면 동재하시험은 비교적 짧은 시간 내에 수행이 가능하여 다수의 말뚝에 적용할 수 있으며, 지지력 평가와 함께 하중 전달 특성 및 지지력 분담 거동을 동시에 파악할 수 있다. 특히 시공 중 및 시공 후 과정에서 병행 적용할 경우 실시간 품질관리 수단으로 활용할 수 있다는 점에서 실무적 활용성이 매우 높다(표 1).

또한 최근에는 시험 장비 및 해석 기술의 발전으로 시험 결과의 신뢰성이 향상되었고, 국가기준에서도 동재하시험의 선택적 적용이 허용되고 있다. 이러한 제도적·기술적 변화는 동재하시험이 독립적인 품질관리 수단으로 확대 적용되고 있음을 보여준다.

5. 발주기관 전문시방서 비교

5.1 한국도로공사

가. 기성말뚝

고속도로공사 전문시방서(EXCS 11 50 15)는 설계도서에 시험 실시 횟수가 명시되지 않은 경우를 대비하여, 기성말뚝의 동재하시험을 초기 동재하시험(EOID 시험), 재항타 동재하시험 및 품질확인시험으로 구분하여 적용하도록 규정하고 있다. 또한 초기 동재하시험 결과가 설계지지력 대비 100% 이상인지 또는 80% 이상 100% 미만인지에 따라 시험 횟수를 차등 적용하도록 구체적인 기준을 제시하고 있다(표 2, 표 3).

아울러 고속도로공사 전문시방서(EXCS 11 50 40)는 말뚝의 거동 이상이 있거나 지지력 확보 여부가 불확실한 경우 추가적인 정재하시험을 실시할 수 있도록 규정하고 있다. 또한, 성토고가 큰 교대 등 수평변위 영향이 큰 구조물에 대해서는 수평재하시험을 실시하도록 제시하고 있다.

나. 현장타설 콘크리트 말뚝

고속도로공사 전문시방서(EXCS 11 50 10)에서는 현장타설 콘크리트 말뚝의 초음파 검사(건전도시험) 수량을 국가표준시방서(KCS 11 50 10) 3.9.4(1)의 기준에 따르도록 규정하고 있으며, 압축재하시험은 고속도로공사 전문시방서(EXCS 11 50 40)를 준용하도록 하고 있다.

재하시험방법은 정재하시험을 원칙으로 하되, 필요시 양방향재하시험 등 대체 시험방법의 적용을 허용하고 있다. 또한 한계상태설계법 적용 시 지반정수 산정이 필요한 경우에는 별도의 시험말뚝을 시공하여 재하시험을 수행할 수 있도록 하고 있으며, 시험 실시 횟수는 구조물의 중요도와 지반조건을 고려하여 결정하도록 규정하고 있다. 별도의 기준이 없는 경우에는 표 4에 따른 시험 빈도를 적용하도록 하고 있다.

5.2 LH공사

LH공사 전문시방서(LHCS 11 50 40)는 단지 및 주택 유형별로 동재하시험과 정재하시험의 병행 적용을 규정하고 있으며, 동재하시험을 시항타(초기항타/재항타)와 본항타로 구분하여 동(棟) 또는 말뚝 수량 기준에 따른 시험 횟수를 구체적으로 제시하고 있다(표 5). 또한 산정된 시험 횟수가 전체 말뚝 수량의 1% 미만인 경우 이를 1% 이상으로 상향 적용하도록 규정하고 있다.

5.3 종합 분석

발주기관 전문시방서는 국가기준(KDS, KCS)에 비해 시험방법, 시험 횟수 및 적용 절차를 보다 구체적으로 제시하고 있으며, 특히 동재하시험을 시공 단계별(초기/재항타/본항타 또는 품질확인)로 구분하여 운영하고 있다는 점에서 실무 적용성이 높은 것으로 평가된다. 이는 말뚝재하시험이 단순한 설계 검증 수단을 넘어, 시공 단계의 품질관리 도구로 활용되고 있음을 보여주며, 향후 국가기준에서도 이러한 단계적 시험 체계를 반영할 필요가 있음을 시사한다.

6. 말뚝재하시험 실시 시기와 시간 의존 거동

6.1 개요

말뚝의 지지력은 시간 경과에 따라 증가하거나 감소할 수 있으며, 그 변화 정도는 말뚝 종류와 지반조건에 따라 상이하다. 이러한 시간 의존 거동은 지반의 재배열, 말뚝-지반 상호작용 변화 및 재료의 양생 과정 등에 기인하며, 재하시험 실시 시점에 따라 평가 결과가 달라질 수 있다. 따라서 재하시험의 실시 시기는 설계지지력 평가의 신뢰도를 좌우하는 핵심 요소이며, 부적절한 시점에서 시험을 실시할 경우 지지력의 과소평가 또는 과대평가가 발생할 가능성이 있다.

6.2 타입말뚝(Driven Pile)

타입말뚝의 경우 초기 동재하시험은 항타 중 또는 항타 종료 직전에 실시하여 시공 직후 말뚝의 거동 특성을 확인하는 것이 바람직하다. 항타 완료 이후에는 시간 경과에 따라 지지력이 증가(setup)하거나 감소(relaxation)할 수 있으므로, 이러한 시간 의존 거동을 평가하기 위하여 재항타 동재하시험을 실시할 필요가 있다. 타입말뚝의 시간 경과 효과는 그림 1에 제시하였으며, 토질별 지지력 증가비(soil setup factors)는 표 6(FHWA, 1996)에, 지반 종류별 재항타 동재하시험 권장 기간은 표 7(AASHTO, 2020)에 각각 제시하였다. 정재하시험은 일반적으로 재항타 동재하시험 이후에 실시하는 것이 합리적이며, 반력말뚝 또는 반력앵커와 재하대 등 반력 시스템 설치가 완료된 이후 수행하는 것이 바람직하다.

6.3 매입말뚝(Pre-bored Pile)

매입말뚝의 경우 초기 동재하시험은 경타 중 또는 경타 종료 직전에 실시하여 말뚝의 초기 선단지지력 특성을 확인하는 것이 바람직하다. 시공 완료 이후에는 시멘트밀크의 양생에 따라 지지력이 증가하므로, 재항타 동재하시험은 일반적으로 시공 후 약 7일 이상 경과한 이후 실시하는 것이 적절하다. 다만 조강재를 사용하는 경우에는 최소 1~3일 이후 실시할 수 있다.

정재하시험은 원칙적으로 재항타 동재하시험 이후에 실시하며, 일반적으로 시공 후 약 2주 이상 경과 후 실시하는 사례가 많다. 조강재를 사용할 경우에는 약 1주 이후 실시하기도 한다.

한편 SDA매입말뚝의 시험자료 분석 결과에 따르면, 시멘트밀크의 양생 기간이 약 3주 정도 경과하면 전체지지력에 대한 선단지지력과 주면마찰력의 분담률이 각각 약 50% 수준으로 수렴하는 경향을 보인다(그림 2). 또한 단위선단지지력은 초기 동재하시험 결과에 비해 약 15% 이상 증가하는 것으로 나타났다(그림 3).

따라서 시공 후 약 7일 시점에서 실시한 재항타 동재하시험 결과만으로 설계지지력 확보 여부를 판단할 경우, 실제 지지력을 보수적으로 과소평가할 가능성이 있다(채수근, 2017a,b, 2022, 2023). 이는 매입말뚝의 지지력 평가 시 시멘트밀크의 양생에 따른 시간 의존 거동을 고려한 시험 실시 시기 설정이 필요함을 의미한다.

6.4 현장타설 콘크리트 말뚝(Cast-in-place Concrete Pile)

현장타설 콘크리트 말뚝의 재하시험은 콘크리트 및 시멘트 모르타르가 설계기준강도에 도달한 이후 실시하는 것을 원칙으로 하며, 일반적으로 약 2주 이상의 양생 기간을 확보한 이후 수행하는 것이 바람직하다. 다만 최종 시험 시점은 공정 조건, 지반 특성, 양생 조건 및 시험 수행 가능성 등을 종합적으로 고려하여 결정할 필요가 있다.

이와 같이 말뚝 시공법별 시간 경과 특성을 고려할 때, 재하시험의 실시 시기를 체계적으로 설정하는 것이 중요하며, 이는 설계지지력 평가의 신뢰도 확보와 말뚝기초의 품질관리 향상에 직접적으로 기여한다.

7. 말뚝재하시험 기준 재정립 방향

7.1 시험 관련 기준 비교

표 8은 국내 말뚝재하시험 관련 기준을 비교·정리한 것이다. KS 규격과 국가표준시방서(KCS)는 시험방법 및 절차 중심의 규정을 제시하고 있으나, 시험 실시 수량과 시험 실시 시기에 대한 구체적인 기준은 제시되어 있지 않다. 반면 국가설계기준(KDS)에서는 최소 실시 수량으로 전체 말뚝 수량의 1% 이상을 제시하고 있으나, 시험 실시 시기에 대한 명확한 적용 기준은 미흡한 실정이다.

한편 한국도로공사와 LH공사의 전문시방서는 시험방법, 시험 횟수 및 동재하시험의 단계별 적용에 대해 보다 구체적인 기준을 제시하고 있으며, 특히 초기 동재하시험, 재항타 동재하시험 및 품질확인시험으로 구분되는 단계별 시험 체계를 운영하고 있다는 점에서 현장 적용성이 높은 것으로 평가된다.

이와 같은 기준 비교 결과는 말뚝재하시험의 시험방법 선정, 최소 실시 수량 및 시험 실시 시기를 통합적으로 고려한 적용 기준의 정립이 필요함을 시사한다.

7.2 시험방법 선정 기준 제안

현행 국가설계기준(KDS)에서는 정재하시험 또는 동재하시험의 적용을 허용하고 있으나, 시험방법 선정에 대한 구체적인 기준이 명확히 제시되지 않아 실무 적용 시 해석상의 차이가 발생할 수 있다. 이에 본 연구에서는 재하시험의 적용 목적과 현장 조건을 고려한 시험방법 선정 기준을 다음과 같이 제안한다.

가. 설계지지력 검증 목적

설계지지력의 신뢰도 확보를 위해서는 정재하시험과 동재하시험을 병행 적용하는 것이 바람직하다. 다만, 선단지지력과 주면마찰력의 분리 평가 필요성, 시험 수행 및 해석 기술 수준, 현장 여건에 따라 동재하시험 단독 적용도 가능하다.

나. 시공 품질관리 및 다수 말뚝의 지지력 균일성 확인 목적

시공 단계에서의 품질관리 및 지지력 균일성 확보를 위해서는 시험의 신속성, 경제성 및 현장 적용성을 고려하여 동재하시험을 우선 적용하는 것이 합리적이다. 이를 통해 하중 전달 특성과 지지력 분담 거동을 효과적으로 평가할 수 있다.

다. 반력 시스템 설치가 어려운 현장 조건

대구경 말뚝, 고지지력 말뚝, 협소 부지 또는 협소 공간 등으로 인해 반력 시스템 설치가 어려운 경우에는 양방향재하시험의 적용을 우선적으로 검토하는 것이 바람직하다.

라. 품질 이상 발생 시

말뚝 거동 이상, 지지력 확보 불확실성, 시공 조건 변화 등 품질 관련 문제가 발생한 경우에는 설계지지력 검증의 신뢰성을 확보하기 위해 정재하시험을 추가로 실시할 필요가 있다. 또한 필요 시 하중전이시험 또는 건전도시험을 병행하여 원인을 정량적으로 분석하는 것이 바람직하다.

7.3 시험 최소 실시 수량 개선안

말뚝재하시험의 최소 실시 수량을 전체 말뚝 수량의 1% 이상으로 하고, 전체 말뚝 수량이 100본 미만인 경우에는 최소 1본 이상으로 정하는 것은 현행 기준과 실무 적용성을 고려할 때 타당하다. 특히 동재하시험은 시험 목적과 시공 단계에 따라 단계적으로 적용함으로써 말뚝의 지지력 발현 특성을 보다 체계적으로 평가할 필요가 있다. 이러한 단계적 시험 체계는 설계지지력 검증과 시공 품질관리 기능을 동시에 확보할 수 있는 합리적인 적용 방법으로 판단된다.

첫째, 항타 또는 경타 중, 또는 종료 직전에 전체 말뚝 수량의 1% 이상을 대상으로 초기 동재하시험을 실시하여 말뚝의 초기 지지력 특성을 확인한다.

둘째, 초기 동재하시험을 실시한 시험말뚝에 대하여 시간 경과에 따른 지지력 증가 효과(setup effect), 시멘트밀크의 배합비 및 양생에 따른 지지력 증가 특성, 그리고 설계지지력 확보 여부를 평가하기 위해 재항타 동재하시험을 수행한다.

셋째, 말뚝 시공 완료 이후에는 본 시공 말뚝 수량의 1% 이상을 대상으로 재항타 동재하시험(품질확인시험)을 실시하여, 시공된 말뚝의 설계지지력 확보 여부와 시공 품질을 검증한다. 다만, 말뚝을 공삭공 방식으로 시공하여재항타 동재하시험의 수행이 곤란한 경우에는 현장 여건을 고려하여 관계 기술자 간 협의를 통해 시험 실시 여부를 결정하거나, 말뚝 시공면 또는 기초 저면에서 정재하시험을 수행하는 방안을 검토할 수 있다.

넷째, 구조물의 중요도, 지반조건의 공간적 변동성, 시공법 또는 시공 조건의 변경, 시공 품질 이상 발생 여부 등을 종합적으로 고려하여 추가 시험을 수행할 수 있는 관리 체계를 병행 적용하는 것이 바람직하다. 이러한 체계는 말뚝재하시험을 설계지지력 검증 수단에 국한하지 않고, 시공 단계의 품질관리 수단으로 확장할 수 있도록 하며, 궁극적으로 말뚝기초의 신뢰도 향상에 기여할 수 있다.

7.4 시험 실시 시기 가이드라인

말뚝의 지지력은 시공법, 재료 특성 및 지반조건에 따라 발현 시기와 양상이 상이하므로, 재하시험은 이러한 지지력 특성을 충분히 고려한 적정 시점에 실시하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 말뚝 시공법과 지반조건을 반영한 권장 시험 시기를 다음과 같이 제시하며, 시험목적을 포함하여 표 9에 상세히 정리하였다.

가. 타입말뚝

초기 동재하시험은 항타 중 또는 항타 종료 직전에 실시하여 시공 직후 말뚝의 거동 특성을 확인한다. 이후 지반조건에 따라 표 7에 제시한 일정 기간 경과 후 재항타 동재하시험을 실시하여 시간 경과에 따른 지지력 증가 효과및 설계지지력 확보 여부를 평가한다. 또한 말뚝 시공 완료 후 약 1주 이상 경과한 말뚝 중 임의의 말뚝을 대상으로 추가 재항타 동재하시험을 실시하여 설계지지력 확보 여부와 시공 품질을 검증한다. 정재하시험을 실시하는 경우에는 재항타 동재하시험 이후에 실시하여 시공 품질 확인 및 설계지지력 확보 여부를 검증한다.

나. 매입말뚝

초기 동재하시험은 경타 중 또는 경타 종료 직전에 실시하여 초기 선단지지력 특성을 확인하되, 압입방식으로 시공하는 말뚝의 경우 초기 동재하시험을 생략할 수 있다. 재항타 동재하시험은 시멘트밀크의 배합비(W/C) 및 양생에 따른 지지력 증가 특성을 고려하여 시공 후 약 1~2주 이상 경과한 시점에 실시하는 것이 적절하며, 조강재를 사용 시에는 약 1~3일 경과 후 실시할 수 있다. 다만, 재항타 동재하시험의 구체적인 실시 시기는 시공 품질, 시멘트밀크 배합비 및 지반조건 등을 종합적으로 고려하여 말뚝 전문가가 결정하는 것이 바람직하다. 또한 말뚝 시공 완료 후 약 2주 이상 경과한 말뚝 중 임의의 말뚝을 대상으로 추가 재항타 동재하시험을 실시하여 설계지지력 확보 여부와 시공 품질을 검증한다. 정재하시험을 실시하는 경우에는 재항타 동재하시험 이후 또는 시공 후 약 2주 이상 경과한 시점에 실시하여 시공 품질 확인 및 설계지지력 확보 여부를 검증한다. 다만, 조강재를 사용하는 경우에는 약 1주 이상 경과 후 실시할 수 있다.

다. 현장타설 콘크리트 말뚝

재하시험은 콘크리트가 설계기준강도에 도달한 이후 실시하는 것을 원칙으로 하며, 일반적으로 약 2주 이상의 양생 기간을 확보한 후 실시하는 것이 바람직하다. 대구경 또는 고지지력 말뚝의 경우에는 현장 여건을 고려하여 양방향재하시험의 적용을 우선적으로 검토할 수 있다.이와 같은 시험 실시 시기 가이드라인은 말뚝의 시간 의존적 거동과 시공 단계별 지지력 발현 특성을 합리적으로 반영함으로써, 재하시험 결과의 신뢰성을 향상시키고 말뚝기초의 품질관리 수준 제고에 기여할 수 있다.

7.5 현장 적용 체크리스트

재하시험의 시험방법, 실시 수량 및 시험 시기를 합리적으로 결정하기 위해서는 다음 사항을 종합적으로 검토할 필요가 있다.

가. 지반조건 변화 여부: 지층 구성의 변화, 연약층 분포, 지반의 공간적 변동성을 고려하여 구간별 지반조건의 차이를 평가한다.

나. 시공조건 변경 여부: 시공 장비, 시공법, 말뚝 종류, 천공 방법, 해머 종류 및 규격 등 주요 시공조건의 변경 여부를 검토한다.

다. 품질 이상 징후 발생 여부: 과도한 침하, 항타 거동 이상, 말뚝 손상 또는 결함 가능성 등 시공 중 나타나는 품질 이상 징후를 확인한다.

라. 시험 목적의 명확성: 재하시험의 목적이 설계지지력 검증인지 또는 시공 단계의 품질관리인지 명확히 구분하고, 이에 따라 시험방법과 적용 범위를 결정한다.

마. 현장 적용 여건: 공정 일정, 작업 안전성, 반력 시스템 확보 가능성, 장비 접근성 등 재하시험 수행을 위한 현장 여건을 종합적으로 검토한다.

8. 결론 및 제언

본 연구에서는 국가설계기준(KDS), 국가표준시방서(KCS), 한국산업표준(KS) 및 주요 발주기관 전문시방서를 비교·분석하여 말뚝재하시험의 시험방법 선정, 최소 실시 수량 및 시험 실시 시기에 대한 적용 현황과 한계를 검토하고, 이를 바탕으로 합리적인 기준 재정립 방향을 제시하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 현행 국가기준은 시험방법 및 최소 실시 수량에 대해서는 기본적인 방향을 제시하고 있으나, 시험방법 선정 기준과 시험 실시 시기에 대한 구체적인 적용 지침은 미흡한 것으로 나타났다. 이로 인해 동일한 현장 조건에서도 기준 해석과 적용에 차이가 발생할 수 있으며, 시험 결과의 일관성과 객관성 확보에 한계가 존재한다.

(2) 말뚝재하시험의 적용 목적과 현장 조건에 따라 시험방법을 차별화하여 선정할 필요가 있다. 설계지지력 검증에는 기성말뚝의 경우 정재하시험 또는 동재하시험을 적용할 수 있으며, 대구경 현장타설 콘크리트 말뚝은 양방향재하시험의 적용이 효과적이다. 반면, 시공 품질관리 및 다수 말뚝의 지지력 균일성 확인을 위해서는 동재하시험을 우선 적용하는 것이 합리적이다.

(3) 최소 실시 수량은 전체 말뚝 수량의 1% 이상을 기본 원칙으로 설정하는 것이 타당하며, 구조물 중요도, 지반 변동성, 시공 조건 변경 및 품질 이상 여부를 반영하여 추가 시험이 가능하도록 운영할 필요가 있다. 또한 동재하시험은 시공 단계별로 초기 동재하시험, 재항타 동재하시험 및 시공 완료 후 품질확인시험으로 체계화하여 적용하는 것이 바람직하다.

(4) 말뚝의 지지력은 증가(setup) 및 감소(relaxation)와 같은 시간 의존 거동과 재료의 양생 과정에 의해 크게 영향을 받으며, 재하시험 시점에 따라 평가 결과가 상이하게 나타날 수 있다. 따라서 설계지지력 검증의 신뢰성을 확보하기 위해서는 말뚝 시공법별 특성과 지반조건을 반영한 시험 실시 시기 기준을 명확히 설정하고, 이를 말뚝의 설계 및 시공 기준에 반영할 필요가 있다.

(5) 본 연구에서 제안한 기준은 말뚝재하시험의 설계 검증 기능과 시공 품질관리 기능을 통합적으로 고려한 적용 체계를 제시한 것으로, 향후 관련 국가설계기준 및 국가표준시방서의 개선에 기여할 것으로 기대된다. 다만, 제안 기준의 실효성 확보를 위해서는 다양한 지반조건과 시공 사례에 대한 추가적인 현장 데이터 축적과 검증 연구가 병행되어야 한다.