Top Down공법

왜 배우는가: Top Down공법은 도심지 고층·대심도 지하구조물에서 인접건물 보호와 공기단축을 동시에 해결하는 대표 공법이라 건축시공기술사 시험에서 반복해서 출제된다. 개념의 구성요소와 기본 원리를 정확히 알아야 특징·응용사례 문제에서 답안을 체계적으로 쓸 수 있다.

출제 이력: 제120회 2교시 2번, 제97회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

Top Down공법은 지하외벽과 지하기둥을 먼저 시공한 뒤 지상과 지하를 동시에 위에서 아래로 진행하는 지하구조물 구축 공법이다.

• 역타공법
• 지하연속벽(슬러리월)
• 선시공 기둥(bored pile)
• 지하 슬래브 선시공
• 지상·지하 동시시공
• 도심지 근접시공

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 땅을 파기 전에 집의 뼈대를 먼저 땅속에 세워 두고, 위층부터 바닥을 하나씩 만들면서 아래로 내려가는 방식이다. 흙을 깊이 파 내려가면서 흙막이를 버티는 것이 아니라, 완성된 바닥 슬래브가 흙막이를 받쳐 주는 구조가 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 흙막이벽을 구조체로 먼저 시공하고, 지하 중간기둥을 선시공한 후 지표면의 1층 슬래브부터 순차적으로 굴착과 슬래브 시공을 반복하면서 지하구조물을 형성하는 공법이다. 굴착 이전에 지하외벽과 지하기둥을 설치하므로 지하연속벽(슬러리월)과 선시공 기둥(bored pile)이 핵심 부재가 된다.

이 공법의 원리는 세 가지 요소로 설명된다. 첫째, 흙막이벽은 횡토압과 수압을 지지하면서 연직하중도 지지한다. 둘째, 바닥구조체가 흙막이벽을 지지하는 횡지지대 역할을 한다. 셋째, 중간기둥이 지하층과 지상층의 연직하중을 지반으로 전달한다. 흙막이벽의 선단은 불투수층에 근입시켜 배면 지하수의 굴착부 유입을 차단한다.

1층 바닥 선시공은 작업장 조기 확보와 전천후 시공을 가능하게 하는 핵심 개념이다. 바닥이 먼저 있으므로 강우·강설 중에도 지하 작업이 가능하다.

지상·지하 동시진행은 공기단축의 근거다. 건물 규모가 클수록 효과가 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

도심지 건축물이 고층화되면서 지하부의 굴착심도가 깊어졌다. 굴착이 깊어질수록 토류벽체에 작용하는 토압과 수압이 커진다. 재래식 흙막이 공법은 얕은 굴착에서 적용해 왔으며, 깊어지면 굴착저면의 토압과 수압 저항에 문제가 생긴다.

배면 지반개량으로 토압과 수압을 낮추는 방법도 있으나 공사비 증가가 크고, 약액주입은 천공심도가 20m 이상이면 설계된 위치에 정확히 개량하기 어렵다. 따라서 대심도 굴착에 대한 대안이 필요했다.

인접건물 보호도 중요한 배경이다. 개착식 굴착에서 버팀대 지지점이 바뀌면 배면 지층이 변형되고, 차수층이 파괴되어 지하수 탈수와 미세입자 유출이 생긴다. 그 결과 배면 공동화나 주변 지반 침하로 인근 건물에 피해가 생길 수 있다. 어스앵커는 인접 대지 침범과 지하공간권 분쟁 때문에 도심지 적용이 어려워지고 있다.

이 공법은 1938년 영국의 Arup이 독일 폭격 대비 방공호 설계에 제안한 것으로 알려져 있다. 1960년대 유럽 도시재개발에서 근접시공과 대심도 굴착 문제를 해결하는 공법으로 보편화되었고, 이후 일본과 홍콩 등으로 확산되었다. 국내에는 1984년 럭키금성 다동빌딩을 시작으로 본격 적용되었다.

현재는 굴착 중 붕괴사고와 인접건물 피해에 따른 민원, 행정관청 정책으로 안정적인 공법으로 자리 잡고 있다. 최근에는 뉴 탑다운 공법과 SPS(Strut as Permanent System) 공법으로 발전하고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

Top Down공법은 굴착 이전에 지하 외곽 벽체와 중간기둥을 먼저 설치하고, 지하 슬래브를 위에서 아래로 한 층씩 시공하면서 지상 골조를 함께 올리는 방식이다. 이 구조가 성립하려면 세 가지 요소가 필요하다. 흙막이벽, 횡지지대(바닥구조체 또는 가설지보공), 중간기둥이다.

흙막이벽은 횡토압과 수압을 지지하는 것이 기본 역할이다. Top Down에서는 여기에 연직하중까지 지지해야 한다. 선단을 불투수층에 근입시켜 배면 지하수의 굴착부 유입을 차단하는 것도 주요 역할이다. 지중연속벽(slurry wall)이 주로 쓰인다.

횡지지대는 흙막이벽을 지지하여 벽체의 변형을 억제한다. 지하 바닥 슬래브를 횡지지 역할로 쓰는 것이 Top Down의 특징이다. 가설 버팀대(strut)를 병용하기도 한다.

중간기둥(선기초 기둥)은 지하 굴착 시 노출되면서 상부 구조물의 자중, 작업하중, 마감하중, 풍하중을 지반으로 전달한다. 기둥 하부는 선시공된 기초(bored pile 등)에 연결된다. 기둥의 좌굴길이는 횡지지대가 제한한다.

세 요소는 Top Down 공사의 최소 구성요소이며 각 요소마다 여러 공법이 있다

각 요소의 공법은 터파기 규모, 지반조건, 주변조건, 구조조건, 하중조건, 공기, 공사비를 고려하여 선정한다. 선정된 공법에 맞는 구조형식을 함께 적용해야 안전성, 경제성, 시공성, 공기 목적을 달성한다.

원리는 다음과 같다. 지하 굴착 중 바닥 슬래브가 흙막이의 버팀 역할을 하므로 벽체 변형이 작다. 지상 골조가 동시에 올라가므로 굴착 깊이가 늘어도 공기 손실이 적다. 중간기둥이 수직하중을 지지하므로 지하 굴착과 상부 골조 공사가 상호 간섭 없이 진행된다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 지중연속벽(slurry wall 등) 등 흙막이벽을 시공한다.
• 중간기둥용 기초 말뚝(bored pile 등)을 천공하고 설치한다.
• 지상 1층 바닥 슬래브를 시공하여 횡지지대와 작업공간을 확보한다.
• 슬래브 개구부로 하부를 굴착하고, 하층 슬래브를 단계적으로 구축한다.
• 굴착 단계마다 지하 골조와 지상 골조를 병행하여 올린다.
• 최하층 바닥 슬래브와 기초 구조를 완성하여 하중 전달 경로를 마무리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

Top Down공법 자체를 직접 규정한 법령이나 고시는 확인된 자료에 없다. 공사 중 안전과 흙막이 설계는 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」, 「건설기술 진흥법」, 건설 설계기준(KDS)과 표준시방서(KCS)의 적용을 받는다. 흙막이 지보공 설계·시공 세부 기준은 해당 발주기관과 설계 기준에 따른다.

흙막이 설계에서 자주 쓰는 기준값은 다음과 같다. 공법 선정 근거로 사용한다.

표 아래 해설: 흙막이벽과 중간기둥은 설계 단계에서 연직하중과 수평하중을 함께 검토해야 한다. 굴착 깊이가 깊어질수록 재래식 공법의 토압·수압 저항 한계가 커지므로 Top Down이 유리해진다.

재래식 흙막이의 토압·수압 저항 한계를 넘는 깊이에서 Top Down 적용이 검토된다.

개정 연혁은 확인된 자료가 없어 기술하지 않는다.

6. 유형과 비교

Top Down 공법은 흙막이벽 종류, 중간기둥 형식, 바닥구조체 시공 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 전체 구성요소는 흙막이벽, 선기초 기둥(중간기둥), 횡지지 바닥구조체의 조합으로 정해진다.