[영남2] 고속도로 확장공사 성토부 가시설에 적정한 공법 검토

• 검토기간 : 2003.~2004.
• (주)유신코퍼레이션 기술자문단 김 형 태

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1. 검토목적

고속국도 제1호선 OO~OOO 및 OO-OO간 확장공사는 기존 고속도로를 운용 중인 상태에서 확장공사를 수행해야 하므로, 차로의 여유폭이 부족하여 기존 차로폭 및 측대폭을 최대한 축소한 상태에서 교통을 유지해야 하는 실정이다. 특히 성토고가 높은 구간에서는 가시설의 자립이 곤란하여 앵커체 형식의 비자립식 가시설이 요구된다. 그러나 이 경우 띠장이나 앵커대좌의 과도한 노출로 인해 운전자에게 위압감을 줄 수 있어 교통사고 위험이 증가할 수 있다.
따라서 이러한 문제점을 해소하기 위해 각 구간별 적정한 가시설 공법을 검토하였다.

 

2. 가시설 시공 시 문제점 분석

2.1 가시설 구간 여유폭 부족

OO~OOO 및 OO-OO 구간은 기존 고속도로 운용 중에 가시설을 설치해야 하므로 여유 공간이 매우 제한적이다.
(예: 차로 2@3.4m, 측대 0.9m)

[고속도로 4차로 → 6차로 확장구간 성토부 횡단면도 예]

2.2 부적절한 가시설 공법 채택

성토부 가시설의 경우 각 공구별 설계 적용이 매우 상이한데,

① OO~OOO 간 일부 공구의 경우 어스앵커 공법으로 설계돼 있어 앵커천공 및 인장시 장기간 교통차단이 불가피할 뿐만 아니라 띠장 및 앵커 대좌의 돌출폭이 커서 적용하기에 부적절하다.

[어스앵커 구간 횡단면 구성 예]

 

② OO-OO간  일부 공구의 경우에는 성토고가 높은(H=5.5m정도)구간에까지 일괄적으로 자립식 가시설로 설계하여 안전성이 우려된다.(설계사 변경 제시안, 파일간격 조정으로 자립하는 방안 제시, 파일간격 : 당초 2.0m → 변경 1.0m, 이 경우 H-PILE 설치 및 인발후 보강 비용이 증가되어 불리함)

3. 자립식 가시설 한계 검토

각 공구별 자립식 가시설의 설계 경향을 파악한 결과 유사한 조건임에도 각 설계사별 적용이 매우 상이하여 설계 및 시공 관리상의 혼선을 초래하고 있어, 성토높이별 별도의 안전성 검토 실시후 자립식과 비자립식 가시설의 적용 범위를 다음과 같이 통일성 있게 구분하였다.

 - 자립식 가시설     :  성토높이 H＜3.0m 구간에 적용

 - 비자립식 가시설 :  성토높이 H ≥ 3.0m 구간에 적용

 

▨ 성토높이별 자립식 가시설 안전성 검토결과

성토고 (H, m)	최소 근입장 (m)	파일간격 (m)	근입장 검토			응력 검토			두부변위 검토			비 고
			발생	허용	판정	발생 (kg/㎠)	허용 (kg/㎠)	판정	발생 (cm)	허용 (cm)	판정
2.0m 이하	2.6	2.0	1.246	1.2	O.K	357	1,890	O.K	1.315	3.0	O.K
2.1~2.5	3.2	2.0	1.296	1.2	O.K	578	1,890	O.K	2.399	3.0	O.K
2.6~3.0	3.5	2.0	1.495	1.2	O.K	631	1,890	O.K	2.900	3.0	O.K

☞ 가시설 공사중 일부 선시공 구간에서 노면하 지하공동이 발견된 사례가 종종 있어, 충분한 안전성 확보 차원에서 자립식 가시설 적용 한계 높이를 3.0m 미만으로 제한하였다.

 

4. 비자립식 구간 가시설 공법 비교(안)

고성토부의 비가시설 구간중 고속도로 운전자에 위압감 조성 문제를 최소화하고, 구조적 안전성 및 경제성을 제고하도록 다음과 같이 검토하였다.

 1) 비교안

  2)  변경 제안

☞ 상기 비교안을 검토한 후 각 구간별 여건에 맞게 대안공법(변경1,2)을 각각 선정하였다.

 

5. 대안별 설계 및 시공방안 검토

5.1 TIE-CABLE을 이용한 가시설 공법 (변경 제1안)

TIE CABLE 공법 적용시 차도측에서 인장관리를 하는 경우 일시적이나마 교통소통에 지장을 초래할 우려가 있으므로, 인장 위치를 법면부로 변경하면 인장 작업에 따른 교통차단 문제는 해소될 수 있으므로 아래와 같이 계획하였다.
1) 당 현장의 TIE-CABLE 공법 검토내용

가. 성토 높이별 설치 제원

 

나. 성토 단계별 인장력(JACKING FORCE) 검토내용

성토고	Tie Cable규격	Tie Cable 허용하중(tonf)	인 장 력(tonf) JACKING FORCE	비 고
H=3.0～3.5m	F50T (7-Φ8.1)	26.100	22.000	실제 시공
H=3.5～4.0m	F70T (7-Φ9.5)	36.850	22.770	실제 시공
H=4.0～4.5m	F70T (7-Φ9.5)	36.850	22.770	실제 시공
H=4.5～5.0m	F100T (7-Φ11.1)	49.850	28.740	실제 시공
H=5.0～5.5m	F100T (7-Φ11.1)	49.850	43.740	검 토 용

주] 인장시 각 성토고별 인장력 도입은 상기 도표를 참조하여 실시토록 하되, 본 설치조건과 상이할 경우에는 별도 검토 필요. (변위 발생시 추가 인장)

 

2) TIE-CABLE 띠장 및 버팀벽 설치 상세

교통 운용중인 기존 차로측의 정착부 돌출 폭을 최소화하기 위하여 띠장(H-BEAM) 1단을 약축방향으로 설치하고 법면측에서 인장관리토록 변경함.

3) 약축방향으로 설치된 띠장의 구조 안전성 검토

띠장(H-BEAM)을 90°로 회전시켜 약축방향으로 설치하면 강성이 1/3정도로 저하되므로 띠장의 구조적 안전성 확보 여부를 다음과 같이 검토하였다.

가. 해석 모델

띠장에 작용하는 집중하중은 P=28.74 ton 적용 (성토 단계별 인장력 검토내용 참조)

나. 띠장 구조해석 결과

 

다. 약축방향 띠장(H-300X300X10X15)의 응력 검토

∴ 약축방향으로 설치시 강성이 저하되어 허용휨응력을 초과하므로 별도의 보강이 필요함.

 

4) 띠장의 강성 보강 방안 검토

가. 약축방향 보강 PLATE 설치

나. 보강후 띠장 응력 검토

∴ 약축방향으로 설치되는 띠장을 보강하기 위해 상기 그림과 같이 PLATE(270 ×15t)를 추가 설치하면 강성이 증대되어 긴장시의 집중하중이 작용되어도 안전성이 확보됨.

 

다. 약축방향 띠장 보강도

라. 띠장 보강후 입체 전개도

5) 법면측 버팀용 PILE의 안전성 검토

가. 근입장 검토

◎ 수동토압 계수 : Kp = tan²(45+Φ/2) = 2.463

◎ 수동토압 :

  Pp  = (1.2 ×γt × D²× Kp + 2 × C × D × √Kp) ×플랜지폭(0.3) × 유효 작용폭(2배)

      = (1/2 × 1.90 × D²× 2.463 + 2 × 1.5 × D × √2.463) × 0.3 × 2배

      = 1.404․D²+ 2.845․D

◎ TIE CABLE의 인장력(Th) : 28.740 tonf (성토 단계별 인장력 검토내용 참조)

◎ 버팀용 보조PILE의 근입장 산정.

1.2 × Th ≤ Pp 여기서, Th = 1.2(안전율) × 28.740 = 34.488 tonf

1.404D²+ 2.845D - 34.488 = 0 (이차방정식 aχ²+ bχ + c = 0 )

∴ 근입장 D = 4.045m 이상 필요함 ==== > 사용 근입장 D= 4.5m이면 O.K.

 

나. H-PILE 부재의 안전성 검토(Chang의 공식 이용)

◎ 버팀 말뚝 제원 : H-300×300×10×15,

- 탄성계수(E) : 2.1×106 tf/㎡ , -단면이차모멘트 : Iy = 20,400 cm4 (단면계수 Z= 1,360㎤)

◎ 성토 지반반력계수 : Kh = 2,000 tf/㎥

◎ b의 결정

◎ 최대 휨모멘트 산정 및 응력 검토

 

6) 당 현장의 TIE CABLE공법 적용구간 시공 사례

전술한 검토자료를 바탕으로 시공을 완료하고, 안전성을 확인하였으며, 이로써 시공중의 원할한 교통처리 및 시공성 개선, 공기단축, 예산절감 등 소기의 목적을 달성하였다.

 

5.2 GEOTEXTILE을 이용한 자립식 가시설 공법 (변경 제2안)

TIE-CABLE 공법을 적용하더라도 차로폭 협소구간은 여전히 띠장 돌출로 인해 일정 정도의 운전자에 위압감을 줄 수 있으며, 특히 당초 자립식 가시설로 설계된 경우와 대비할 때 공사비의 증액은 큰 부담이 아닐 수 없다. 따라서, 보강토 옹벽개념의 GEOTEXTILE 공법을 적용하여 자립식 구조로 전환하면 이 같은 문제를 근본적으로 해소할 수 있으므로 다음과 같이 계획하였다.

1) 당 현장의 GEOTEXTILE 공법 검토내용

가. 성토 높이별 설치 제원

나. 당 현장에서 수행한 설계 개념

본 구간은 강가시설과 보강토체와의 복합구조이므로 해석방법이 간단치 않아 계산 편의상 다음과 같이 구조계를 분리하여 검토하였다.

2) GEOTEXTILE 공법 적용성 검토

가. 토목섬유(GEOTEXTILE)의 특징

토목섬유(Geosynthetics)의 일종인 Geotextile은 분리재 기능, 보강재 기능과 여과재 기능 등으로 그 우수성이 입증된 토목용 합성재의 대표적인 자재이다. Geotextile의 소재로 폴리프로필렌(polypropylene)와 폴리에스터(polyester) 두 종류가 통상 사용되며, 제작방식에 따라 직포(woven geotextile)와 부직포(nonwoven geotextile)로 나눌수 있다. 직포는 고강도이고 항복응력에서의 변형이 작아 보강재로 적합하다. 폴리에스터를 소재로 한 geotextile에는 다양한 크기의 인장강도를 갖는 제품이 있으며 고강도인 경우 700㎪까지도 상품화되어 있다. 일반적으로 시제품 한 롤(roll)의 크기는 폭이 5m 길이가 90m이다. 당 현장에서는 설계기준과 시공성을 고려하여 폴리에스터를 소재로 한 직포를 사용토록 하였다.

 

나. 이용상의 장․단점 분석

△ 토목섬유는 사용이 편리한 ROLL형태로 공급된다.

△ 토목섬유는 현장부지에 바로 신속하게 포설할 수 있다.

△ 타재료와 비교해서 가볍고 취급 및 시공이 용이하다.

△ 대부분의 경우 상당한 경제성을 보여 준다.

△ 인장에 강하고 내구성이 좋다

△ 신축성이 좋아서 유연성이 있으며, 현장에서의 접합등 가공이 쉽다.

△ 역학적 제성질의 온도 의존성이 현저하며, 직사광선에 약하고 내화성이 떨어진다.

△ 돌출부, 찢김, 펀칭등의 파손이 쉬우며 시공후 파손 부위의 발견 및 복구가 어렵다.

△ 타 재질과의 접합시공이 어렵다.

 

다. 강 가시설과 GEOTEXTILE 공법을 병행한 이유

- 차로 여유폭이 적어 전면측 경사없이 수직으로 시공하여야 하는 현장 여건을 고려

- 타이케이블이나 와이어로프 등의 앵커체 가시설의 대체 개념으로 적용

- Geotextile 자재의 파손방지(장기간 햇빛에 노출시 강도저하/차량추돌에 의한 찢김 등)

- 교통전환시 강가시설을 방호 난간으로 활용

 

라. 시공순서

자립식 가시설 설치→기존도로면에서 1.0m 일반성토 → GOETEXTILE MAT 부설 → 전면측에 SOIL BEG 설치 → MAT 50cm씩 층말기 및 성토다짐 → 포장층 하단까지 반복 → 포장층 시공 완료 → 신설측 교통전환

 

3) 당 현장의 GEOTEXTILE공법 적용구간 시공 사례

전술한 검토자료를 바탕으로 시공을 완료하고, 안전성을 확인하였으며, 이로써 시공중의 원할한 교통처리 및 시공성 개선, 공기단축, 예산절감 등 소기의 목적을 달성하였다.

 

6. 검토결론

성토고가 높은 구간의 경우에는 가시설의 자립이 곤란하므로 앵커체 형식의 비자립식 가시설이 필요하게 된다. 이 경우 띠장 및 앵커체의 노출이 과대하게 되어 고속도로 운전자에 위압감을 주는 등 교통사고 위험성을 노정하고 있으므로, 이를 최소화하는 방안으로 각 공구별 설계된 문제점을 분석하여 다음과 같이 적정한 가시설 대안 공법을 검토하였다.

 

1) 성토부 자립식 가시설 적용 한계

  - 자립식 가시설    : 성토높이 H＜3.0m 구간에 적용

  - 비자립식 가시설 : 성토높이 H ≥ 3.0m 구간에 적용

 

2) 성토부 비자립식 가시설 공법

○ TIE CABLE 및 버팀 PILE을 이용한 가시설 공법

- 성토재료로 발파암 유용이 많은 구간의 경우에 채택함.(경주-동대구 제 2,3공구 적용)

- 기존도로측 가시설의 띠장 및 정착부 노출을 최소화 하기 위해 H-BEAM을 약축방향으로 1열 설치하고 법면측에서 인장 관리.

○ GEO TEXTILE을 이용한 자립식 가시설

- 양호한 성토재료의 조달이 가능한 구간의 경우에 채택함.(부산-언양 제2공구 적용)

- 흙과 보강재사이의 마찰력을 이용한 보강토 옹벽개념이므로 강 가시설을 자립식 구조로 전환할 수 있어 띠장을 설치하지 않아도 됨.

 

○ 기대효과

- 운전자에 심리적 안전감 제공 /고속도로의 원활한 교통소통에 부합

- 구조적 안전성 확보

- 시공성 개선, 공기 단축, 공사비 절감

 

3) 본 검토에서 제시한 공법은 본 현장에 최초로 적용되어 성공적으로 시공되었으며, 향후 유사 확장공사의 설계 및 시공 시 유용한 참고자료가 될 것으로 기대된다. “끝”

 

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