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International Symposium on Urban Geotechnics / September 25～26, 2009 / Incheon / Korea

지하굴착에 따른 붕괴유형에 대한 고찰

Consideration of Failure Type on the Ground Excavation

이중재1), Jung-Jae Lee, 정경식2), Kyung-Sik Jung, 이창노3), Chang-No Lee

1) (주)에스텍컨설팅그룹 대표이사, Representative Director, S-TECH Consulting Group2) (주)에스텍컨설팅그룹 이사, 토질 및 기초기술사, Director, S-TECH Consulting Group, Professional

Engineer Soil Mechanics Foundation3) (주)에스텍컨설팅그룹 차장, Deputy Manager, S-TECH Consulting Group

SYNOPSIS : Neighboring construction becomes mainstream of Ground excavation in downtown area. This causes the displacement, deformation, stress condition, etc of the ground surroundings. Therefore Neighboring construction have an effect on Neighboring structure. All these years a lot of Neighboring construction carried out, and the accumulation of technology also get accomplished. But earth retaining structure collapse happens yet. Types of earth retaining structure collapse are 12. 1. Failure of anchor or strut system, 2. Insufficiency of penetration, 3. H-pile Failure on excessive bending moment, 4. Slope sliding failure, 5. Excessive settlement of the back, 6. Deflection of H-pile, 7. Joint failure of coupled H-pile, 8. Rock failure when H-pile penetration is rock mass, 9. Plane arrangement of support systems are mechanically weak, 10. Boiling, 11. Heaving, 12. Over excavation. But field collapses are difficult for classification according to the type, because collapse process are complex with various types. When we consider the 12 collapse field, insufficient recognition of ground condition is 4 case. Thorough construction management prevents from fault construction. For limitations of soil survey, It is difficult to estimate ground condition exactly. Therefore, it should estimate the safety of earth retaining system, plan for necessary reinforcement, according to measurement and observation continuously.

Keywords : Ground Excavation, Earth Retaining Structure Collapse, neighboring construction

1. 서 론

도심지에서의 지하굴착은 근 시공이 주를 이루고 있으며, 주변지반의 변 , 변형, 응력상태의 변화

등을 래하여, 인 구조물의 안정에 향을 미치게 된다. 그동안 단히 많은 근 시공이 있었으며, 따

라서 기술축 도 상당히 이루어졌지만, 아직도 붕괴사고가 발생하여 사회 으로 문제가 되고 있는 실정

이다. 여기서는 근 시공이 장에서 경험한 문제 과 흙막이벽 붕괴사고 사례에 해 고찰하기로 한다.

2. 일반적인 흙막이 붕괴사고 유형 고찰

흙막이 붕괴사고의 원인으로는 1. 벽체, 지지체의 불안정, 2. Boiling, Heaving에 한 굴착바닥면의 불

안정, 3. 배면지반 침하에 따른 주변구조물의 불안정, 4. 차수, 배수등의 지하수 처리 미흡에 따른 불안

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정을 들 수 있으며, 이러한 원인에 의한 붕괴유형을 살펴보면 다음과 같다.

표 1. 흙막이 붕괴유형

Case Description

앵커, 버 보 시스템의 괴

흙막이벽체를 형성하는 엄지말뚝, 띠장, 앵커두부, 앵커강선들을 연

결하는 부 의 속잘못이나 부재의 단면부족으로 인하여 괴되

는 경우

근입심도 부족에 의한

굴착바닥면 괴

흙막이벽체의 근입심도가 부족한 경우 수동토압 역의 굴착바닥면

이 솟구쳐 오르면서 괴가 발생

과도한 휨모멘트에 의한

엄지말뚝 괴

엄지말뚝의 단면이 부족한 경우로서 토압산정시 오류를 범했거나

상하지 못한 과재하 이 배면에 작용했을 때 측압의 증가에 의

해 발생

사면활동에 의한 괴배면지반 체가 연약해서 사면안정이 되지 못했거나 암반의 경우

미끄러짐면(Slickenside)이 존재하는 경우 발생

배면의 과도한 침하에 의한

괴

흙막이벽 배면부가 과도하게 침하하는 경우 앵커강선을 아래로 끌

어 내리면서 앵커강선에 과 한 축력으로 괴가 발생

엄지말뚝 처짐에 의한 괴

Pre-drill 한후 공내에 Slime이 많이 잔류되어 있거나, 공벽이 무

져 내린 상황에서 엄지말뚝 입시 확실한 지지층에 놓이지 못 할

경우, 굴착진행에 따라 축력이 증가하게 되어 엄지말뚝이 처짐

2단 흙막이벽 설치 시 연결부

괴

매우 상이한 토층에서 장비 효율성에 따라 2단으로 흙막이벽을 설

치하는 경우가 있는데 이때 연결부 가 취약

엄지말뚝 근입심을 암반에서

종료했을 때 암반 괴

흙막이벽을 상부토사층과 하부암반층 일부에만 근입되게 설치하고,

하부의 안정되지 않은 암반층에 Rock bolt 와 Shotcrete 로 처리한

경우

지지구조의 평면배치가

역학 으로 불리한 경우의 괴

건축 정부지의 모양새가 지지구조체를 평면배치하는데 역학 으

로 불리하고 배면에 인 하여 지하층이 있는 건물이 존재하여

Back-Tie System에 의한 보강조치도 불가능한 경우에 발생 가능

보일링에 의한 괴

지하수 가 높은 모래층, 자갈층과 같은 투수성의 지반을 강 말뚝

이나 연속벽과 같은 차수성의 벽을 사용하여 터 기 내부를 배수

할 경우 지하수 차에 의해 상향의 삼투압에 의해 발생

히빙에 의한 붕괴연약한 토지반을 굴착할 경우 굴착배면 토괴 량이 굴착 면 이

하의 지반 지지력보다 클 경우 발생

과잉굴착에 의한 괴

단계별 굴착시 소단을 두어 벽체의 안정성을 확보하여야 하나 이

를 무시할 경우 굴착면 내부 수동토압의 감소로 인해 벽체의 붕괴

가 유발

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3. 굴착작업 중 붕괴된 현장사례

3.1 서초동 ○○ 신축 굴착공사(1994.09)

․ 장 치 : 서울특별시 서 동

․주요공법 : 상부 CIP, 하부 H-pile+토류 , Jet Grouting, Strut 지지공법

․붕괴양상 : 과도한 휨모멘트에 의한 엄지말뚝 괴

․사고진행 단계 : 벽체배면 토사유출→발 →흙막이벽체의 붕괴→도로 활동 괴 매설물 손

․원인추정 : 부지내 지반조사의 미흡(깊이 수량)으로 설계시 토압보다 큰 토압이 흙막이벽체에 작용

그림 2. 서 동 ○○사옥 굴착공사 사고 장 사진

3.2 성남시 분당 ○○ 고층부 신축 굴착공사(1992.12)

․ 장 치 : 경기도 성남시 분당

․주요공법 : H-pile+토류 , Diaphram wall, Ground anchor 지지공법

․붕괴양상 : 앵커 시스템의 괴

․사고진행단계 : 벽체배면 인장균열 발생→발 →하부앵커의 손→엄지말뚝 뒤틀림, 토류 이탈

토사유출→상부로 앵커 손 진행→흙막이벽체의 붕괴

․원인추정 : 지반조사 시 앵커 지지층인 배면지반 특성을 인지하기 어려운 연약 (단층 쇄 )의 활동

그림 3. 흙막이벽 붕괴 경 복토작업 경

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3.3 반포동 ○○프라자 신축 굴착공사(1996.08)

․ 장 치 : 서울특별시 반포동

․주요공법 : Diaphragm wall, Top-Down 공법

․붕괴양상 : 배면의 과도한 침하에 의한 괴

․사고진행 단계 : 합부 틈새를 통한 토사유실→발 →배면도로 함몰→인 시설물 손

․원인추정 : Diaphragm wall Panel joint부의 부실시공

그림 4. 배면부 도로 침하 상( 기 단계)

3.4 안양 ○○리빙타워 신축 굴착공사(1996.08)

․ 장 치 : 경기도 안양시

․주요공법 : CIP, Strut 지지공법

․붕괴양상 : 지지구조의 평면배치가 역학 으로 불리한 경우의 괴

․사고진행단계 : 인 주택에 균열 발생→일부 흙막이벽체 괴→발 → 면 괴

․원인추정 : 지반고 차를 무시한 구조설계, CIP 흙막이벽체의 상당부분이 Strut에 의해 충분히 지지되

지 않은 불안정한 구조

Raker 설치로

앙부 처짐

그림 5. 붕괴된 구간의 사고 1단 RAKER 설치 황

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3.5 부천 상동 ○○PROJECT 신축 굴착공사(2002.09)

․ 장 치 : 경기도 부천시 상동

․주요공법 : CIP, Strut 지지공법

․붕괴양상 : 과도한 휨모멘트에 의한 엄지말뚝 괴

․사고진행단계 : 앙부벽체 변 발생→띠장 이탈→발 →버 보 변형발생→함몰(순간 )

․원인추정 : 띠장과 CIP 결속 부실, CIP 일체감 결여, 굴착 버 보 설치시 불일치, 배면의 과도한

하 / 코 부터 집 인 굴착으로 띠장의 단락과 배면거동 조기에 발생됨.

그림 6. 붕괴구간 원경

3.6 서울 ○○현장 사고(2003.09)

․ 장 치 : 서울특별시

․주요공법 : CIP, Strut 지지공법

․붕괴양상 : 근입심도 부족에 의한 굴착바닥면 괴

․사고진행단계 : 집 호우로 인한 오수, 우수의 유입→버 보 CIP 일부 함몰→복공자제 낙하→흙막

이구조체 붕괴

․원인추정 : CIP배면 차수 미흡, 인 장의 기 시공된 벽체로 토괴의 블록화(block)와 이로 인한 자

증가 효과로 엄지말뚝 근입심도 부족, 지지체 이음상태 부실

그림 7. 서울 ○○ 장 사고사진

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3.7 구로 ○○현장 사고(2004.12)

․ 장 치 : 서울특별시 구로동

․주요공법 : CIP, H-pile+토류 , Strut, 앵커 지지공법

․붕괴양상 : 과잉굴착에 의한 괴

․사고진행단계 : 7m 깊이 굴착 폭 50여 미터의 흙막이 벽체가 순식간에 붕괴

․원인추정 : 버 보 2단 설치를 하여 과굴착이 진행된 것으로 단, 상부 CIP Cap beam 시공불량

그림 8. 구로 ○○ 장 사고사진

3.8 부산 ○○현장 사고(2007.05)

․ 장 치 : 부산 역시 구

․주요공법 : H-pile+토류 , Shotcrete, 앵커 지지공법

․붕괴양상 : 매립토 지층의 반 인 사면활동

․사고진행 단계 : 상부매립토층 천공시 지반침하→앵커 손, 상부 균열발생→흙막이구조체 붕괴

․원인추정 : 앵커의 기능 미흡, 굴착에 따른 벽체변 와 따른 수직력증가로 인해 H-pile에 과도한 변형

발생이 H-pile의 좌굴로 진행되어 붕락이 발생됨.

그림 9. 부산 ○○ 장 사고사진

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3.9 서울 가좌 ○○현장 사고(2007.06)

․ 장 치 : 서울특별시 가좌동

․주요공법 : CIP, Shotcrete, 앵커 지지공법

․붕괴양상 : 흙막이 벽체 배면의 토사층에서 발생된 형 인 Sliding 거동 상

․사고진행단계 : 상수도 열로 상수 유입→수압 증가→앵커 손→흙막이구조체 붕괴

․원인추정 : 상재하 과 토압 수압의 증가로 벽체 앵커에 과부하가 발생하여 진 으로 거동이

증 됨. 특히 교통하 의 피로가 지반을 극도로 약화시켰을 수 있음.

그림 10. 가좌 ○○ 장 사고사진

3.10 서울 여의도 ○○현장 사고(2007.09)

․ 장 치 : 서울특별시 여의도동

․주요공법 : Diaphram wall, Underpinning, Strut, 앵커 지지공법

․붕괴양상 : 지지구조의 평면배치가 역학 으로 불리한 경우의 괴로 연직 수평 활동에 의한

돌출부 붕락이 발생됨.

․사고진행단계 : 집 호우로 인한 우수유입→수압 증가→흙막이벽체의 변 증가→Strut, 앵커에 과부하

발생→H-pile의 변형→Strut, 앵커의 손→흙막이구조체 붕괴

․원인추정 : 평면 배치상 곡부에서의 Struts와 Anchor 지지체의 기능 인 부조화와 수압증가 우

각부 토체활동에 한 지지구조의 불안정성

그림 11. 여의도 ○○ 장 사고사진

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3.11 경기도 판교 ○○현장 사고1(2008.12)

․ 장 치 : 경기도 성남시 교 택지개발지구내

․주요공법 : H-pile+토류 , 앵커, Nail 지지공법

․붕괴양상 : 암괴 사면활동에 기인한 과도한 휨모멘트에 의한 엄지말뚝 괴

․사고진행 단계 : 암괴의 활동 시작과 동시에 앵커 손→흙막이벽체의 과다변 증가

→흙막이 구조체 붕괴

․원인추정 : 앵커 지지층인 배면지반의 연약 (단층 쇄 )의 활동

그림 12. 교 ○○ 장 사고사진

3.12 경기도 판교 ○○현장 사고2(2009.02)

․ 장 치 : 경기도 성남시 교 택지개발지구내

․주요공법 : H-pile+토류 , 앵커, Nail 지지공법

․붕괴양상 : 암괴 사면활동에 기인한 과도한 휨모멘트에 의한 엄지말뚝 괴

․사고진행단계 : 앵커 손→흙막이벽체의 변 증가→흙막이구조체 붕괴

․원인추정 : 암반층의 일부 풍화 층이 부분 으로 흘러내린 연약 (단층 쇄 )의 활동

그림 13. 교 ○○ 장 사고사진

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4. 국내 근접시공 현장에서의 주요 붕괴 유형 분석

상기에 12건의 사례에 해 각 유형별로 정리하면 다음의 그림 14와 같다.

그림 14. 괴유형별 분석

그림 14에서 나타나듯이 총 일반 으로 구분하는 12가지의 유형에서 주로 7가지의 유형으로 붕괴사고

가 발생했으며, 조사된 경우 암반까지 굴착하는 경우가 부분으로 보일링 히빙에 의한 괴는 발생

하지 않았다. 한, 굴착면 하부까지 흙막이벽체를 설치하므로 엄지말뚝 근입심을 암반에서 종료하는 경

우도 발생하지 않았다.

가장 큰 비율을 차지하는 과도한 휨모멘트에 의한 엄지말뚝 괴의 경우를 보면, 이 붕괴의 원인은

모두 지반조사 시 인지하기 어려운 연약 (단층 쇄 )의 활동으로 이에 의한 과도한 토압의 발생과 휨

모멘트에 의한 엄지말뚝의 괴로 이어진다. 이는 한 그림 14에 나타나지 않은 사면활동에 의한 괴

와도 같은 경우로 생각할 수 있다. 최근 암반굴착이 부분의 장에서 시공되고 있으며 이에 따른 지

반조사의 한계성으로 이러한 연약 의 인지가 어려운 실정이다.

5. 굴착중 BIPS 조사를 통한 흙막이 재설계 사례

기 지반조사에서는 인지하기 어려운 연약 악을 하여 BIPS 조사를 통해 암반 불연속면의

악과 이에 따른 앵커의 재설계로 안정 인 굴착공사를 시행한 사례를 소개한다.

․ 장 치 : 경기도 성남시 교 택지개발지구내

← 인 한 지역에서 암괴의 거동이 발생된 지역

․주요공법 : H-pile+토류 , 앵커 지지공법

․굴착심도 : GL 24. 3m

․암반특성평가를 한 지반조사

- BIPS(공내 상촬 )

- 조사심도 : 25.0m,

- 리면 단시험

․수치해석 : VisualFEA ver 4.1, 불연속면에 한 interface 요소 해석 가능

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그림 15. BIPS 결과와 ․주 리 특성과 방향

STEREONET BIPS 결과

23@1,600=36,800(H-PILE+토류판)

36,800

E.L (+)29.40M

2,0

00

24,2

89

2,5

89

3,5

00

3,0

00

3,2

00

2,9

00

2,5

00

3,6

00

6.9

8.9

NH-5

9.2

매립층

연 암

풍화토

G.W.L -12.80

풍화암9.0

NH-6

G.W.L -10.20

매립층

연 암

풍화토풍화암

ROCK BOLT(H25) L=6.0m)

SH=1.600 2,1

00 1,5

001,5

00

2,0

00 1,5

00

5,396 10,000

3,626

9.0

NH-6

G.W.L -10.20

1

매립층

연 암

풍화토풍화암

(BIPS)

보강조치결과(현황) 보강조치결과(적용)

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불연속면을 고려한 해석단면 발생변

발생모멘트 발생축력

그림 16. 불연속면을 고려한 흙막이벽체 안정성 검토

[ 용에 한 의견]

부지여건상 조사가 어려운 지역의 경우, 암괴의 거동이 상되는 단계에서 상기와 같은 불연속면의 정

조사 이에 따른 안정해석으로 기에 인지하지 못했던 연약 혹은 불연속면에 한 흙막이벽체의

향을 악하고 이에 처한 설계로 안정 인 굴착공사가 수행되었다.

※ 상기 해석결과 특히 앵커체에 작용하는 축력이 허용 앵커 축력에 비하여 상 으로 크게

(116.8ton/ea) 발생하 다. 따라서 최종 지지체 설치를 한 굴착 에 배면지반을 보강하는 차원의

ROCK BOLT를 시공하도록 장에 제언하 다.

6. 결언 및 제언

12건의 사고사례를 보면, 지반상태 악의 미흡으로 붕괴사고가 일어난 사례는 4건으로, 시추조사의 한

계성을 볼 때 아무리 충분한 조사가 이루어진다고 하여도 국부 인 연약 를 발견해 내기는 어려울뿐더

러, 설계단계에서 이와 같은 사항을 고려한 설계를 하게 되면 매우 비경제 일 수밖에 없기 때문에 계

측 지속 이고 세 한 찰로 사 에 그 험성을 측하고 책을 마련하는 방법을 강구하여야 할

것이다.

다음은 이러한 형 붕괴사고를 방하기 하여 필요한 조치사항들을 4가지로 제안한다.

① 공사 착수 주변여건을 고려한 문가의 충분한 검토

② 직 공사를 진행하는 기술자 기능공에 한 체계 인 교육

③ 요 상에 한 정기 인 계측 리와 공사 반 시스템 구축

④ 굴착 굴착 련 문가에 의한 지속 이 장 리와 필요한 경우 험 상구간에 한 정 검

토와 한 조치 시행