케이슨식 안벽 시공

왜 배우는가: 케이슨식 안벽은 대형 항만과 수심이 깊은 안벽에서 널리 쓰이는 중력식 구조물이라 실무에서 시공 순서와 품질 관리가 중요하다. 시험에서는 제작, 예항, 거치, 속채움 등 시공 단계를 순서대로 설명하는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제100회 2교시 3번, 제99회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

케이슨식 안벽은 속이 빈 대형 함체(케이슨)를 제작·거치하고 속채움으로 자중을 확보해 토압에 저항하는 중력식 안벽이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 케이슨
• 중력식 안벽
• 케이슨 제작
• 예항
• 거치
• 속채움
• 상치 콘크리트
• 기초사석 마운드

각 키워드는 시공 단계와 대응한다. 답안에서는 단계 순서대로 키워드를 연결해 쓰는 것이 기본이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 케이슨식 안벽은 바다 쪽에 큰 상자를 만들어 가라앉히고, 그 안을 채워 무게로 버티는 벽이다. 배가 접안해 화물을 싣고 내리는 벽이 파도, 선박의 힘, 뒤쪽 흙의 압력을 받아도 밀리거나 넘어지지 않도록 무게를 이용하는 방식이다.

정식 정의로 케이슨(caisson)은 수중 구조물이나 기초를 구축하기 위하여 육상 또는 수상에서 만들어진 중공형태의 구조물로, 자중 또는 외력을 가하여 소정의 위치까지 침하시키는 구조물이다. 항만에서 이 케이슨을 안벽의 본체로 쓴 것이 케이슨식 안벽이다.

핵심 용어를 풀이한다. 안벽(Quay Wall)은 선박이 접안하여 화물을 하역하는 시설의 벽체다. 안벽의 본체가 무엇으로 이루어졌는지에 따라 중력식, 널말뚝식, 잔교식 등으로 나뉜다.

중력식 안벽은 벽체의 자중과 뒤채움 흙의 무게로 활동과 전도에 저항하는 안벽이다. 활동(sliding)과 전도(overturning)에 대한 안정성 검토가 설계의 핵심이다.

케이슨 제작은 철근콘크리트로 중공 함체를 만드는 단계다. 육상의 제작독이나 제작장에서 이루어지며, 품질 관리가 쉬운 것이 장점이다.

예항은 완성된 케이슨을 예인선으로 끌어 설치 위치까지 옮기는 작업이다. 조류와 파랑 조건을 고려해 예항 일정을 정한다.

거치는 케이슨을 기초사석 마운드 위 등 설계 위치에 내려놓는 작업이다. 위치 오차와 경사를 확인하면서 수행한다.

속채움은 케이슨 내부 공간을 모래, 사석, 콘크리트 등으로 채워 자중을 키우는 작업이다. 속채움이 끝나야 안정성이 확보된다.

상치 콘크리트는 케이슨 상부에 타설해 함체를 일체화하고 상부 마무리를 하는 콘크리트다. 차량과 하역 장비의 하중을 받는 면이 된다.

케이슨의 침하 원리도 함께 알아 둔다. 케이슨이 지반으로 침하하려면 자중에서 부력을 뺀 값이 주면마찰력과 선단지지력의 합 이상이어야 한다. 이를 식으로 쓰면 W - B \ge F + Q 이며, 여기서 W는 케이슨 수직하중(자중과 재하중, t), B는 부력(t), F는 총 주면마찰력(t), Q는 케이슨 선단부 지지력(t)이다.

3. 등장 배경과 필요성

선박이 대형화되면서 안벽 앞의 수심도 깊어져야 했다. 수심이 깊어지면 흙의 압력과 파랑 하중이 커지고, 기존 구조물의 안정성을 확보하기 어려워진다. 이때 자중으로 버티는 중력식 안벽이 대수심 조건에 적합한 대안으로 채택되었다.

널말뚝식 안벽과 비교하면 중력식 안벽은 강성이 크고 변형이 작다. 널말뚝은 근입 깊이와 타이로드, 지반 조건에 따라 변위가 커질 수 있다. 반면 케이슨식은 큰 자중과 넓은 저면으로 전도와 활동에 대응한다. 다만 자중이 큰 만큼 기초 지반의 지지력과 침하 검토가 필수다.

케이슨은 육상 또는 수상에서 미리 만들기 때문에 공장식 제작이 가능하다. 현장 작업이 줄어 품질 편차가 작고, 기상 영향을 받는 기간도 짧아진다. 제작과 설치를 분리한다는 점이 공정 계획의 출발점이다.

설치 방식도 필요성과 함께 발전했다. 오픈 케이슨은 우물통(웰) 공법으로 안벽 등의 기초에 많이 쓰였다. 거치 방법으로는 축도식, 발판식(비계식), 예항식이 있으며, 수심과 지반, 제작 장소에 따라 선택한다.

최근에는 기존 케이슨식 안벽의 성능을 높이는 연구도 진행되고 있다. 2021년 연구에서는 케이슨 하부의 사석을 고결재로 굳힌 뒤 전면 사석을 굴착해 전면 수심을 키우는 방법을 수치해석으로 검토했다. 이처럼 노후 안벽의 재생 수요가 늘면서 케이슨식 안벽의 중요성이 더 커지고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

케이슨식 안벽은 속이 빈 대형 콘크리트 함체를 육상이나 수상에서 만든 뒤 현장에 놓고 속채움으로 안정시키는 중력식 구조다. 구성요소는 케이슨 본체, 사석 마운드(기초사석), 상치 콘크리트, 뒤채움재로 나뉜다.

케이슨 안벽의 안정은 자중이 전도·활동에 저항하는 힘으로 확보된다. 활동에 대한 안정은 저항력이 작용 수평력보다 커야 성립한다. 따라서 케이슨 중량을 충분히 확보하고 기초 사석면과의 마찰을 관리하는 것이 핵심이다.

원리

케이슨은 수면 위에서 부력을 이용해 떠 있다가, 속채움을 하며 자중을 늘려 소정의 위치에 가라앉힌다. 이때 부력과 자중의 균형이 침하 조건을 결정한다. 오픈 케이슨은 내부를 굴착하며 자중과 주면마찰력, 선단지지력의 관계로 침하를 진행하고, 공기 케이슨은 압축공기로 작업실의 물을 배제하며 굴착한다.

절차

• 케이슨을 드라이독 또는 제작장에서 제작한다.
• 제작한 케이슨을 예항하여 설치 위치로 운반한다.
• 사석 마운드를 고르고 케이슨을 소정 위치에 침하시킨다.
• 내부 속채움과 상치 콘크리트를 타설하여 일체화한다.
• 뒤채움과 배면 정리로 안벽을 완성한다.

케이슨 침하 조건은 다음 관계로 판단한다.

$W + F + Q \ge B$

여기서 W는 케이슨 수직하중(자중·재하중, t), F는 총 주면마찰력(t), Q는 선단부 지지력(t), B는 부력(t)이다. 식은 기준서·교재의 오픈 케이슨 침하식과 같은 기호 체계를 따른다. 실무에서는 침하 중 편위와 경사를 함께 관리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

케이슨 안벽은 항만 설계·시공 기준에 따라 시공한다. 국내에서는 「항만 및 어항법」과 「항만 설계기준」, 「항만 공사 시방서」를 주로 참고한다. 케이슨 제작과 콘크리트 품질은 해양콘크리트 기준을 따르며, 기준값은 아래 표로 정리한다.

케이슨 안벽의 시공 기준은 개정 가능성이 있으므로 현행 기준을 기준으로 적용한다. 과거에는 케이슨 제작과 설치를 별도 시방으로 관리했으나, 현재는 항만 설계기준과 공사 시방을 함께 적용한다.

케이슨 안벽의 안정은 자중과 사석 기초 위 마찰로 확보된다.

6. 유형과 비교

케이슨식 안벽은 케이슨을 제작하는 장소와 설치 방식에 따라 나뉜다. 시공 방식의 차이는 공기, 부지 조건, 해저 지반 상태에 따라 선택에 영향을 준다. 아래 표는 케이슨 제작·설치 방식의 대표 유형을 비교한다.