흙막이공사 지하수처리공법

왜 배우는가: 흙막이 굴착에서 지하수는 히빙·보일링·파이핑 같은 지반 파괴와 주변 침하를 일으키는 주원인이므로, 지하수처리공법을 알아야 굴착 안전과 공기를 함께 확보할 수 있다. 이 주제는 3교시 설명형과 4교시 두 문항에서 반복해 출제되어 원리와 공법 분류를 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제136회 3교시 2번, 제111회 4교시 5번, 제103회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙막이공사의 지하수처리공법은 굴착 저면과 흙막이벽 배면의 지하수위를 낮추거나 지하수의 유입을 차단하여 굴착 안정성을 확보하는 공법의 총칭이다.

지하수처리는 배수(수위 저하)와 차수(유입 차단)로 구분하여 굴착 조건에 맞게 선정한다

핵심 키워드

• 지하수위 저하공법(De-watering)
• 차수공법
• 보일링(Boiling)
• 파이핑(Piping)
• 히빙(Heaving)
• 웰포인트(Well point)
• 깊은우물(Deep well) 공법
• 약액주입공법

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 땅을 파면 주변의 물이 굴착 구덩이 쪽으로 밀려든다. 이 물을 밖으로 빼내 물의 힘을 줄이거나, 물이 들어오는 길을 막는 것이 지하수처리의 목적이다.

정식 정의는 다음과 같다. 흙막이공사에서 지하수처리란 굴착에 따른 지하수의 유입과 수압을 제어하여 보일링, 파이핑, 히빙 등 지반 파괴를 방지하고 주변 지반의 침하를 억제하는 일련의 조치를 말한다.

배수공법은 지하수를 펌프나 집수 설비로 뽑아 수위를 낮추는 방법이다. 배수는 투수성이 좋은 사질토에서 효과가 크고, 굴착 전 수위를 미리 낮추는 사전 배수와 굴착 중 고인 물을 빼는 굴착 중 배수로 나뉜다.

차수공법은 지하수가 흙막이 내부로 들어오지 못하도록 막는 방법이다. 지수성이 높은 흙막이벽(지하연속벽, 슬러리 월 등)을 쓰거나, 약액주입으로 지반의 투수성을 낮춘다. 지하수가 많고 배수가 어려운 경우에는 차수를 우선한다.

지하수처리의 핵심 원리는 유효응력이다. 지하수위가 낮아지면 간극수압이 줄어 유효응력이 증가하고, 굴착 저면의 전단 저항이 커진다. 반대로 굴착 저면에서 상향 침투류가 생기면 유효응력이 감소하여 지반이 불안정해진다.

유효응력 σ′ = σ − u

여기서 σ는 전응력(kN/㎡), u는 간극수압(kN/㎡), σ′는 유효응력(kN/㎡)이다. 간극수압 u가 커지면 σ′가 줄어 보일링이 발생하기 쉽다.

3. 등장 배경과 필요성

도심 굴착이 깊어지고 주변에 건물이 밀집하면서 지하수처리의 중요성이 커졌다. 얕은 굴착에서는 자연 배수로 충분했지만, 지하 깊이가 증가하면서 수압과 침투 거리가 함께 늘어났다. 이에 따라 굴착 안정을 위해 지하수 제어가 필수 공정이 되었다.

지하수를 방치하면 세 가지 문제가 생긴다. 첫째, 굴착 저면이 솟아오르는 히빙이나 모래가 끓어오르는 보일링으로 흙막이가 파괴될 수 있다. 둘째, 흙막이벽 틈으로 흙이 빠져나가는 파이핑이 발생해 배면에 공동이 생긴다. 셋째, 지하수위 저하로 주변 지반이 압밀 침하하여 인접 건물에 피해가 생긴다.

특히 점토지반에서는 배수 후 압밀침하가 장기간 진행된다. 사질토지반에서는 수위 변화에 따라 침하가 즉시 일어난다. 따라서 지반 조건에 따라 배수 방식을 다르게 설계해야 한다.