이 글의 목적은 건설 현장에서 굴착면 붕괴를 예방하기 위한 흙막이 구조물의 설계 절차와 검토 항목을 체계적으로 정리하여, 설계·시공·감리 실무자가 현장에 즉시 적용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. 굴착 안정성 문제의 본질
굴착 시 붕괴는 토압 증가, 지하수 압력, 지반 이완, 시공 오차의 상호작용으로 발생한다. 흙막이 설계는 다음 세 가지 축을 동시에 다루어야 한다.
- 한계평형 관점의 외력-내력 균형 검토이다.
- 지하수 및 배수 계획을 통한 유효응력 관리이다.
- 변위 제어를 통한 주변 구조물·지중매설물 보호이다.
주의 : 토압계수 선택 오류와 비배수 전단강도 과대평가는 초기 붕괴의 주요 원인이다. 지반 정수 조건(배수/비배수)과 시공 속도를 일치시켜 강도정수(c, φ, Su)와 토압계수(K)를 결정해야 한다.
2. 설계 입력자료의 표준화
흙막이 설계는 지반조사, 수리시험, 주변하중 파악으로 시작한다. 지반정수는 시추조사, 표준관입시험(N값), 실내·현장 전단시험(CU, UU, CD, CPTu 등)을 통해 산정한다. 시공 단계별로 배수·비배수 거동을 구분하여 단기·장기 설계 정수를 분리한다.
| 항목 | 필수 내용 | 권장 범위/기준 |
|---|---|---|
| 지층구성 | 층서, 토질명, 단위중량(γ), 포화단위중량(γ_sat) | 층별 두께 및 연속성 확인 |
| 강도정수 | 점토: Su, c_u / 모래: φ', c' | 단기: 비배수 Su, 장기: 유효응력 φ' |
| 변형계수 | Es, E50, k, Gmax, M | 해석모델(선형/비선형)에 적합 |
| 지하수 | 정수위, 계절변동, 투수계수(k) | 우기 상승분 보수 반영 |
| 상재하중 | 교통하중, 구조물, 적치물 | 등분포 q 또는 선하중 변환 |
| 인접구조물 | 근입심도와 이격, 허용변위 | 서비스성 기준 설정 |
3. 토압 이론 선택과 적용
흙막이는 단기에는 K0(정지토압), 활동·수동토압(Ka, Kp), 장기에는 유효응력 기반 토압을 고려한다. 굴착 단계에서 지반과 지보공의 상호작용으로 외관토압(아파런트 토압) 개념을 적용하면 보수적인 설계가 가능하다.
- 자립벽 또는 간단 지지: 랭킨 또는 쿨롱 토압 이론을 사용한다.
- 다단 버팀/앵커: 단계별 외관토압 분포를 적용하여 내력설계를 수행한다.
- 점토지반 단기: 비배수 조건에서 단위중량 감소 효과 및 수평토압 저감 가능성을 검토하되, 보수적으로 정지토압 이상을 채택한다.
4. 지지 시스템 선정: 버팀보 vs. 앵커 vs. 어스앵커+린넝(힐링)
지지 시스템은 공정, 주변권리(경계 밖 앵커 허용 여부), 소음·진동, 변위 허용치로 결정한다.
| 지지 방식 | 장점 | 단점 | 적용심도 |
|---|---|---|---|
| 강관버팀보(내부) | 토지권 문제 없음, 변위제어 우수 | 공정 복잡, 작업 공간 저해 | 중·대심도 |
| 지중앵커(외부) | 개방 내공, 공정 간결 | 경계 외 점유 협의 필요, 누수경로 리스크 | 중·대심도 |
| 어스앵커+릴리핑/힐링 | 상단 변위 억제, 단계적 설치 용이 | 천공 품질 민감, 인발시험 필수 | 중심도 |
| 자립식(버팀/앵커 없음) | 소규모 신속 시공 | 변위 큼, 심도 제한 | 소심도 |
5. 설계 절차: 단계별 체크리스트
- 지반·수리 입력 확정: 층별 γ, φ', c', Su, k, 지하수위, 상재하중이다.
- 벽체 형식·근입심도 가정: 흙막이 벽체(H형강+토류판, CIP/SMW/DW, 슬러리월)이다.
- 토압 분포 가정: 정지·활동·외관토압 중 현장 조건에 맞는 분포이다.
- 단계별 굴착해석: 지보공 설치 순서, 굴착 간격, 체류시간 반영이다.
- 내력 설계: 버팀보 압축·좌굴, 앵커 인발·체결력, 벽체 굽힘·전단이다.
- 전반 안정: 히빙, 파이핑, 활동, 전도, 지지력, 베이즐 업리프트이다.
- 변위 검토: 수평변위 δh, 지표침하 S, 인접 구조물 기울기이다.
- 배수·차수 계획: 웰포인트, 집수정, 차수벽 연속성이다.
- 모니터링 계획: 계측 위치·빈도, 경보기준·대응절차이다.
6. 대표 검토식 요약
다음 식들은 실무에서 자주 사용되는 핵심 검토 항목이다. 설계기준과 단위 일관성을 확인해야 한다.
# 6.1 토압계수(랭킨) K_a = tan^2(45° - φ'/2) K_p = tan^2(45° + φ'/2) K_0 ≈ 1 - sin φ' # 정지토압 근사
6.2 외관토압(브레이스드 굴착, 모래 예시)
p_a,apparent ≈ 0.65 * γ' * H # 층별 분배 필요
6.3 벽체 설계 전단력·휨모멘트
V(x) = dP/dx, M(x) = ∫ V dx # 연속하중 적분
σ_max = M_max / Z # 단면계수 Z
6.4 버팀보 설계
N_design = Σ(스테이지 토압반력) / 지지점수
좌굴: N_design < π^2 * E * I / (K * L)^2
6.5 앵커 설계
T_lock-off = T_work / η_system
인발저항: R_pullout = π * d_bond * L_bond * q_s
안전율 FS_anchor = R_pullout / T_max ≥ 2.0
6.6 히빙(점토, 비배수)
FS_heave = (Σ S_u * B) / (γ' * H * B) → 목표 ≥ 1.5
6.7 파이핑(모래, 상향수압)
FS_piping = (i_c / i) = ( (G_s - 1) / (1 + e) ) / i → 목표 ≥ 1.5~2.0
6.8 베이즐 업리프트(연약지반)
FS_uplift = (Σ 유효중량 + 차수벽 근입저항) / 상향수압
6.9 측벽 활동/전도(자립식·말뚝식)
FS_sliding = ΣR / ΣT ≥ 1.5
FS_overturning = ΣM_resist / ΣM_over ≥ 2.0
6.10 변위 기준(예시)
δ_h,allow ≤ 0.5% H (인접 민감시설은 0.2% H 이하)
S_settlement,allow: 구조물 등급별 별도 기준 적용
주의 : 외관토압 계수와 파이핑 임계구배는 지반상태에 따라 달라진다. 단순식을 적용할 때는 보수계수를 도입하고, 가능하면 수치해석(평면변형률, 소성모형)을 통해 단계별 변위를 검증해야 한다.
7. 지하수·차수·배수 설계
지하수는 굴착 안정성의 핵심 변수이다. 차수벽(슬러리월, 심도 있는 SMW, 연속 지하연속벽)과 배수(웰포인트, 집수정, 드레인) 조합으로 유효응력을 회복한다.
- 차수벽의 근입은 하부 투수층을 관통하여 우회류를 차단한다.
- 우기에는 수위 급상승을 고려한 여유양정과 예비공간을 확보한다.
- 장기 양수 시 주변 지반 침하를 평가하고, 건물 기초에 대한 영향 해석을 병행한다.
| 항목 | 설계 포인트 | 현장 관리 |
|---|---|---|
| 웰포인트 | 집중 양정보다 분산 배치, 영향반경 고려 | 수위계 연속 모니터링 |
| 집수정 | 저면 방수층 손상 방지, 슬라임 제거 | 펌프 예비기 100% 확보 |
| 차수벽 | 연속성 확보, 조인트 누수 방지 | 트레미 품질관리, 코어·자재시험 |
8. 단계별 시공 시나리오와 해석
해석 모델은 시공 순서를 그대로 재현해야 한다. 각 단계마다 굴착 깊이, 지지 설치, 양정 변화, 체류시간을 반영한다. 변형모형은 탄소성(Mohr-Coulomb, HS/HSsmall 등)을 사용하며, 토피감소에 따른 K-경로 변화를 반영한다.
- Stage 0: 자연 지반 평형 및 초기 K0 설정이다.
- Stage 1: 1차 굴착 및 상단 지지 설치이다.
- Stage 2~n: 반복 굴착·지지 설치, 수위 조절 동시 진행이다.
- Final: 저판 콘크리트 타설, 영구구조 연계, 지지 해체이다.
주의 : 지지 해체 단계에서 벽체 반력 재배분으로 최대 변위가 발생한다. 해체 순서·간격·속도를 해석대로 준수하고, 계측 경보치 도달 시 즉시 보강지지(추가 스트럿, 프리로딩)를 시행한다.
9. 설계 예시(요약)
다음은 모래섞임 점토층에서 H=12 m 굴착, 상단·중단·하단 3단 강관버팀보, 차수벽은 CIP+토류판 조합인 가상의 사례이다.
# 입력(예시) H = 12.0 m, γ_sat = 20 kN/m³, γ_w = 9.81 kN/m³ 지하수위 = 지표면 - 1.0 m φ' = 30°, c' = 0 K_a = tan^2(45 - 15) = 0.333 γ' ≈ γ_sat - γ_w = 10.2 kN/m³
외관토압 근사(모래 지배층 가정)
p_apparent ≈ 0.65 * γ' * H = 0.65 * 10.2 * 12 = 79.6 kPa
지지 반력 분배(3단 동일 간격 가정, 하부 가중치 1.2)
R1:R2:R3 = 1 : 1 : 1.2 → 정규화 계수 = 3.2
층당 설계반력 ~ p_apparent * H / 지지점수 * 가중치
벽체 모멘트
M_max ≈ C * p_apparent * H² (C는 지지 조건 계수, 예: 0.02~0.05)
버팀보
N_design = 각 층 반력 / φ_Rd
좌굴 Lk = 경간길이·조건계수
N_cr = π² E I /(K Lk)² → N_design < 0.6 N_cr
히빙 검토(점토층 구간 존재 시)
FS_heave ≥ 1.5 확인
파이핑 검토(사질층 하부 수두차 존재 시)
FS_piping ≥ 1.5~2.0 확인
변위 허용
δ_h,max ≤ 0.3~0.5% H → 36~60 mm 범위 내 관리
10. 품질관리(QC)·계측(IMS)·리스크 대응
- 계측 항목: 벽체 수평변위, 버팀보 변형률, 앵커 인장력, 지표침하, 지하수위, 주변 구조물 균열이다.
- 경보 기준: 주의·경계·위험 3단계로 구분하고, 각 단계별 조치안을 사전에 문서화한다.
- 시공관리: 버팀보 프리로딩, 앵커 재조임, 굴착 간격·체류시간 준수, 조인트 누수 보수이다.
주의 : “경보치 미설정”은 관리 부재로 간주된다. 초기계측선 설치(굴착 전)과 기준선 재확인(각 스테이지 전)을 의무화해야 한다.
11. 현장 적용 체크리스트
| 구분 | 체크 포인트 | 빈도 | 합격기준 |
|---|---|---|---|
| 지반·수리 | 수위계, 양정량, 침하계 동시 확인 | 매일 | 수위 목표±0.3 m |
| 벽체 | 근입심·수직도·연속성 | 매 스테이지 | 수직도 1/200 이내 |
| 버팀보 | 프리로딩, 용접·볼트 체결 | 설치·해체 | 프리로딩 ±10% |
| 앵커 | 인발시험, 정착 길이 확인 | 설치 | FS ≥ 2.0 |
| 변위 | 벽체 δ_h, 지표 S | 매일 | 경보치 이하 |
| 배수 | 펌프 가동, 예비전원 | 상시 | 대비율 100% |
12. 자주 발생하는 실패 모드와 예방
- 상단 릴리핑 부족으로 상부 변위 과대이다. → 상단 지지 보강, 프리로딩 상향이다.
- 차수벽 조인트 누수로 파이핑 진행이다. → 그라우팅 보강, 웰포인트 보완이다.
- 해체 단계 급속 변위이다. → 단계 해체, 임시지지 병행, 야간 모니터링 강화이다.
- 우천 시 수위 급상승이다. → 비상 양정라인 가동, 내수압 설계 검토이다.
13. 설계 산정 자동화 팁
반복 계산은 스프레드시트나 스크립트로 표준화하면 오류를 줄인다. 다음은 단순 토압·반력 산정 스니펫 예시이다.
# 입력: H, γ', φ', 지지층수 n, 가중치 w_i def Ka(phi_deg): import math return math.tan(math.radians(45 - phi_deg/2))**2
def apparent_pressure(gamma_eff, H):
return 0.65 * gamma_eff * H
H = 10.0
gamma_eff = 10.0
phi = 30.0
p = apparent_pressure(gamma_eff, H) # kPa
weights = [1.0, 1.0, 1.2] # 예시
W = sum(weights)
reactions = [p*H/len(weights)*w/W for w in weights]
print(p, reactions)
14. 서비스성 기준과 주변 구조물 보호
지표침하와 기울기는 인접 매설관·건물의 기능 저하로 직결된다. 허용기준을 보수적으로 설정하고, 변위 추세가 가팔라지면 굴착을 중지하고 원인 분석 후 단계 보강을 시행한다. 매설관은 굴착 전 CCTV 조사와 보강 슬리브 설치를 검토한다.
15. 실무 요약
- 토압은 정지·활동·외관토압을 상황별로 선택한다.
- 지하수는 차수+배수 병행으로 유효응력을 회복한다.
- 지지 시스템은 공정·권리·변위 기준으로 비교 선정한다.
- 히빙·파이핑은 초기 단계에서 여유 안전율을 확보한다.
- 계측은 설계와 동일한 스테이지 기준으로 경보체계를 운용한다.
FAQ
정지토압과 활동토압 중 무엇을 적용해야 하나?
지지 설치 전 단기 단계나 변위가 제한되는 조건에서는 정지토압을 우선 고려한다. 지지 설치 후 외관토압을 적용하되 보수적으로 정지토압과 비교 검토한다.
앵커 인발시험은 어느 정도 수준으로 해야 하나?
생산앵커의 최소 5% 이상을 대상으로 증하시험을 수행하고, 정착부 마찰저항과 체결력의 일치성을 확인한다. 불량 시 동일 공구·지층 구간 전수 재검토한다.
우천·수위 급상승 시 즉각 조치는 무엇인가?
비상 양정라인 가동, 상단 임시지지 추가, 굴착 중지 및 수위 안정 후 재개가 기본 순서이다. 집수정 월류 방지와 전원 이중화 상태를 상시 확인한다.
변위 허용치가 작은 인접 구조물이 있을 때의 요령은?
상단 지지 간격을 촘촘히 배치하고 프리로딩을 높인다. 차수벽 근입을 늘려 전단회전을 억제하고, 초기 굴착 깊이를 얕게 가져가 단계 수를 증가시킨다.
수치해석은 언제 필요한가?
대심도 굴착, 연약지반, 인접 민감시설, 복잡한 지지 단계가 있는 경우에는 필수적이다. 토질정수의 민감도 분석까지 수행하여 변위 예측의 불확실성을 축소한다.