Top-Down공법의 탄생과 발전
1. Top-Down공법의 탄생
Top-Down공법은 1938년, 영국의 Mr. Arup 에 의하여 독일의 폭격에 대처할 수 있는 지하 방폭대피소인 지하5층의 원형구조물의 설계로 제안되었다.
이 지하 방폭대피소는 0.5~1ton 규모의 직격 탄에 보호될 수 있도록 지표면 근처의 최상부 바닥슬래브와 지하외벽의 콘크리트 두께는 3.0m로 하고 지하외벽은 하부로 내려가면서 두께가 감소되도록 계획되었다. 이러한 깊은 굴토공사와 최상부의 두꺼운 슬래브공사를 하 기 위해서는 일반적인 방법으로는 어렵고 공사비도 크게 요구되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 애럽은 그림 1과 같이 해당층의 땅바닥 위에 바닥콘크리트공사를 하고 이 바닥 구조를 흙막이벽지지구조로 이용하면서 하부를 굴토하는 방식으로 상부에서부터 하부로 단계 별로 반복하여 시공하면서 지하구조물을 구축 하는 방법을 적용하였다. 이에 따라 바닥구조 들을 지지할 수 있도록 중간기둥들은 지중에 미리 설치하고, 지하외벽이 시공될 주변에 파 일을 지중에 촘촘히 설치한 후, 각 바닥을 땅 바닥 위에 시공하면서 하부를 굴토하며, 중앙 부 원형 개구부를 두어 토사를 반출하는 공사 방법과 순서를 제안하였는데, 바로 이 안에 의하여 Top-Down공법의 개념이 탄생되었다.
그 후 이러한 Top-Down공법 개념이 런던시 중심부에 있는 바티칸 예술센터와 YMCA 회관에 적용되었고, 런던의 대영도서관 공사 때 본 공법의 계획 및 시공이 체계화되었다.
2. Top-Down공법의 개발 및 발전배경
1960년대 유럽의 도시들에서 도시재개발사업 이 한창일 때, 새로운 건축물들이 대형화되고 깊은 지하층으로 설계되어 중세건물 등의 문화재 옆 또는 밑을 통과하는 프로젝트가 나타나면서 깊은 지하구조물의 근접시공, 인근지반의 변동의 극소화, 굴착공사시 안전성 및 지지방 법 등에 대한 설계와 시공법이 요구되었고, 그 러한 요구에 의해 본 공법이 적용되면서 발전하여 왔다. 그 후 프랑스, 이탈리아 등 유럽을 거쳐 홍콩, 일본, 미국 등에 알려지고 도입되 어 각 지역의 지질조건과 장비개발에 따라 일반화되어 왔다.
재래식 흙막이공법에 의한 지하층 구조공사시에 주위 지반침하, 근접시공곤란, 인접건물 및 지중매설물 등의 피해 등 제반 여건에 의해 공사지연 및 중단의 사례가 급증하고, Open-Cut 공법의 적용시 Earth Anchor의 사용이 어려워져 Strut공법으로 전환됨에 따라 흙막이공사에 따르는 문제점이 점점 많아지므로, 이에 대응하는 새로운 공법으로 Top-Down공법이 다음 과 같은 배경에 의하여 점차 보편화되고 발전하고 있다.
(1) 도심지건물의 지하층 대형화, 대심도화 건축물의 대형화 및 고층화로 인하여 지하구조의 용적을 극대화하기 위하여 지하 층수가 증가하고, 도심 주차시설의 확충에 따른 지하 주차장 확보를 위하여 지하층면적을 최대로 넓히는 추세이다.
(2) 지하 토공사의 안정성
지하 토질상태의 불확실성으로 지하 토공사시 그림 2와 같은 예측불허의 붕괴사고 발생이 빈발하고 있으며, 특히 도심지 밀집지역에서의 대형붕괴사고는 교통, 전기, 통신, 급․배수 등 공공에 피해를 주는 경우가 커지고 있으므로 각종 행정규제가 강화되고 있다.
(3) 적극적인 민원예방
건설공사 전반에 대한 환경규제 조건이 점차 강화되고 주변환경에 대한 시민의 인식이 바뀌어감에 따라 현장주위의 지반 변위로 인한 인접대지와 건물의 피해 및 환경공해(소음, 분진 등) 등으로 민원에 의한 공사지연, 중단의 사례가 급증하고 있다.
또한, 굴착깊이가 직접 보일 경우에는 심리적으로 더욱 불안감을 느끼게 되어 민원에 대한 적극적인 대책이 필요하다.
(4) 도심지공사의 작업장
도심지에서 대형건축물을 신축할 경우에는 대지의 활용도를 극대화하기 위하여 지하층면적을 최대로 넓히기 때문에 종래의 공법으로는 작업장 확보에 어려움이 많아 이로 인하여 작업능률의 저하, 공사기간의 장기화, 공사비 증가가 초래된다.
(5)공기단축의 필요성
건설기간중의 일반관리비 감소, 금융비용 감소 및 건물의 조기 사용에 의한 이익창출 등을 위해 공기단축을 위한 공법개발의 필요성이 대두 되었다.
(6)건설기술의 축적
근래 건축공사의 조건과 시공방법이 복잡해지 며, 지하구조가 차지하는 면적과 공사비 비중이 커지고 건설시장의 경쟁이 치열해짐에 따라 이에 대응할 수 있는 공법을 적용하기 위한 건설기술 축적이 필요하게 되었다.
3. 국내최초의 Top-Down공법을 적용한 현장
국내에 최초로 Top-Down공법을 적용한 건물은 그림 3의 서울특별시 중구 다동에 소재한 “LG화재 다동빌딩(지하5층 지상17층)”으로 1984년에 필자가 실무자로 홍콩의 오브애럽 (Ove Arup & Partners International)과의 기술 협력에 의하여 설계와 시공을 실시하였다. 그 후 국내에 Top-Down공법의 효과와 기술이 널리 소개되면서 서울, 부산, 대전 등의 도심지와 울산, 인천, 마산 등 해안지역에서 여러 대형 및 중형의 건축공사에 적용되어 왔다.
5. 해외의 Top-Down공법적용 현황
지난 몇 년동안 해외에서는 대표적으로 영국 런던의 웨스터민스터역의 에스컬레이터홀 (Westminster Station, 38m 깊이의 지하 에스 컬레이터 홀), 스페인 바르셀로나의 Diagonal Mar Centro Commercial 복합건물(각 변의 길이가 333m x 285 m x 235 m인 삼각형평 면, 지하 5층), 독일 프랑크푸르트의 MAIN TOWER(지하5층 지상 57층 오피스빌딩), 홍콩의 Cheung Kong Center(지하5층, 지상62 층) 등의 깊고, 넓고, 높은 건축구조물 공사에 대하여 불리한 지반과 주변조건에서도 각 현장에 적합한 Top-Down공법을 개발하고 적용하여 성공리에 각 현장의 소기 목적을 거두고 있다.
웨스터민스터역(그림 4)은 그림 5와 같이 지하 공사에 하부층 굴토시 지반의 변형을 최소화하기 위해 굴토공사 전에 지중에 수평으로 기초 하부(GL -40m)에 있는 지중연속벽간에 Tunnelled Strut (Hand Excavated Strut & Hammer Head)를 미리 설치하고, 지하 굴토를 진행하면서 지중연속벽간에 22m 길이의 Permanent Flying Shore로 지지하며 최하부 까지 반복하여 굴토한 후 공사가 완료된 후에도 이 부재는 영구구조로 사용하도록 계획한 것이 큰 특징이다.
Diagonal Mar Centro Commercial 복합건물 은 지하층의 평면크기가 거대하여 그림 6에서 처럼 바닥구조가 수축할 때 발생되는 횡변위를 고려하여 Top-Down공사용 기둥을 설계하고, 지하외벽과 바닥구조의 수평변형차이가 매우 커서 지하 외벽과 바닥구조 사이의 연결부에 특수한 상세를 적용하였다.
연약지반에 시공된 독일 프랑크푸르트의 Main Tower(그림 7)는 파일지정 온통기초(Piled Raft)로 지지되는 코어부를 선시공하고, Top-Down 공사용 파일은 그림 8과 같이 지열을 이용할 수 있도록 에너지파일로 시공된 것이 여러 특징 중 하나이다.
홍콩의 Cheung Kong Center(그림 9, 10)는 중앙부의 코어를 선시공하고, 24개의 타워기둥 을 2~3층간의 전이트러스에 의해 8개의 Super Column으로 저층부의 기둥 개소를 감소시켜 초고층 건물에 Top-Down공사를 적용하였다.
일본의 경우에도 Top-Down공법이 많이 적용되고 있지만, 깊은 연약지층이 많이 분포되어 있어 지하층수도 우리나라보다 적고 강진지역이기 때문에 지하구조를 철근콘크리트 혹은 철골철근콘크리트 라멘구조로 한다. 반면에 국내는 해안가 이외에는 깊은 연약층이 별로 없고 강진지역이 아니기 때문에 일본에서 실시하고 있는 지하구조형식이나 Top-Down공법은 국내에 적용하기에는 비합리적인 요소가 많다. 따라서 국내의 조건에 따라 적합한 지하구조형식과 Top-Down공법을 적용하여 발전되고 있다.
6. 최근 국내 현장의 Top-Down공사
국내에서도 Top-Down공법에 관련된 공사방식과 그에 적합한 구조형식, 구조요소 등이 개발되어 SPS공법, BRD공법, SOG형틀공법, ES-TD Column SystemTM, 램프구조 선시공 방식, 코어구조 선시공방식 등의 여러 기술들 이 현장에 활발하게 적용되고 있다.
그림 11의 SPS공법은 영구 구조물을 지보공으로 사용하여 구조적 안정성 및 주변변위를 최소화한 공법으로 흙막이 벽체공법 및 토질 상태에 관계없이 시공이 가능하다는 장점이 있다.
BRD공법(그림 12)은 거푸집, 동바리가 필요없고, 시스템 형틀을 사용하여 품질이 좋으며, 테두리보 삭제 및 데크사용으로 공정이 단순화 되고, 바닥골조공사와 굴토공사를 동시에 진행 할 수 있다.
Top-Down공법에서 SOG형틀공법(그림 13)으 로의 바닥구조 공사는 동바리 등의 가설구조물이 필요없고, 상대적으로 안전하며, 강재의 사용량이 적어 공사비가 적게든다는 장점이 있다.
ES-TD Column SystemTM은 Top-Down공사 용 선기초기둥으로 원형CFT를 이용하여 피어 천공구내 시공이 용이하고(그림 14), 전단연결 장치의 간단한 설치에 의하여 바닥접합부 시공이 가능하며(그림 15), 하중전달이 확실하여 경제적이고, 효율적인 선기초기둥의 구성이 가능한 공법이다.
그림 16의 램프구조의 선시공은 스트러트 등의 가설구조물의 존치기간이 짧고, 지반의 변 형이 상대적으로 작아 안전하며, 공사 중에도 지하 바닥구조로의 차량 진출입이 가능하여 초기에 주차장 또는 작업장 등으로 활용 가능하 게 한다.
코어구조의 선시공(그림 17)은 초기에 안정된 본구조체의 시공이 가능하고, 코어구조물을 위한 별도의 선기초기둥이 필요하지 않으며, 역타 이음부가 없다는 장점이 있다.
최근 국내에서는 서울 중앙우체국, 삼성생명 울산사옥, 강남 동양화재 신사옥 등에 Top-Down공법이 적용되었고, 현재도 서울 퇴계로 GS자이, 삼성동 복합시설, SK 남산 리더 스뷰 등의 현장에 사용되고 있다. 앞서 소개한 기술들이 여러 현장들에서 적용되고 있고, 심지어 그림 18와 같이 철골구조보다 중량이 큰 철근콘크리트 구조인 30층 이상의 지상부를 지하공사와 병행하여 경제적이면서도 구조성능과 시공성을 향상시키고 공기를 단축한 사례도 있다.
7. Top-Down공법의 이해
그림 19에서 보는바와 같이 일반공법에 의한 깊은 지하구조공사는 가설 흙막이벽과 가시설 버팀구조 또는 어스앵커를 설치하고, 지하부의 최하부까지 터파기를 한 후에 기초지정공사를 한 후 하부로부터 상부 방향으로 공사를 진행 하지만, Top-Down공법은 흙막이벽과 선기초 기둥을 지중에 설치하고 상부(1층 또는 지하1층)로부터 하부방향으로 지하바닥구조 공사를 하면서 굴토공사를 진행한다. 따라서 하부로부터 상부로(Up-ward) 지하구조공사를 진행하는 공법을 Bottom-Up공법, 상부로부터 하부 로(Down-ward) 지하구조공사를 진행하는 공법을 Top-Down공법이라고 부른다. Top- Down공법은 일본에서는 Sakauch공법이라고 하고, 굳이 우리말로 한다면 공사순서를 거꾸로 한다하여 역타공법이라 한다.
7.1 Top-Down공법의 특성
Top-Down공법은 흙막이벽 Open-Cut 공법과 같이 버팀대, 띠장, 어스앵커 등의 흙막이용 가설부재를 설치하지 않고, 공사단계별로 선시공되는 구조물에 작용하는 연직하중을 지지할 수 있는 기둥을 먼저 시공하고 이를 이용하여 지하굴토시에 흙막이벽에 작용하는 횡력(토압, 수압, 기타)을 지지할 수 있도록 본바닥구조나 임시버팀대를 설치하면서 점진적으로 하부로 공사를 진행하는 지하구조 공사방법으로 지하 부의 구조 및 굴토공사를 진행하는 동안 지상 부공사도 병행할 수 있도록 선기초 기둥을 설계 하면 공기를 단축할 수 있는 공법이다. 더욱이 1층바닥을 작업장으로 이용할 수 있고, 지상부 층과 지하부층을 동시에 시공할 수 있으므로 공기를 단축할 수 있는 등의 장점이 있다. 그 러나 지하층의 작업이 바닥 밑이 되므로 작업 능률이 떨어지는 점과, 기둥이나 벽의 역타 이음부의 일체화를 위해 별도의 대책이 필요한 단점이 있다. 본 공법의 특성을 요약하여 정리하면 다음과 같다.
7.2 재래식공법과의 다른점
(1) 지하부 및 지상부의 연직하중을 지지하는 지하구조의 기둥과 지하굴토시에 생기는 횡토 압․수압 및 지하부 연직하중을 지지하는 지하 외벽 등을 선시공 해야 한다.
(2) 선시공된 지하부의 기둥과 지하외벽을 이용하여 1층 바닥구조부터 시공하여 하부를 굴 착하면서 지하부 구조와 지상부 구조를 동시에 병행하여 시공할 수 있다.
(3) 바닥구조공사, 하부굴착을 반복하면서 순차적으로 시공되는 바닥구조는 굴토시 횡토압․ 수압을 받고있는 지하외벽을 지지하는 버팀대 역할을 한다.
(4) 지하구조의 철근콘크리트수직부재에는 역타이음부가 생긴다.
(5) 철근콘크리트 바닥구조공사에 동바리를 사용하지 않고 고른 땅위에 직접 거푸집을 설치 할 수 있다.
(6) 지하구조공사는 1층 바닥으로부터 하부로 진행되므로 토사 반출, 토공장비의 반출입, 자 재의 반출입 등을 위한 임시 작업구가 필요하고, 조명과 환기시설이 필요하다.
7.3 장점
(1) 가장 안전한 굴토공법
이 공법은 지하층 바닥구조체를 흙막이벽 지지 부재로서 이용하므로 내력에 충분한 여유가 있 고 연속성에 있어서 잉여력이 좋아 가설 버팀 대와 같은 연속적인 붕괴의 위험이 없다. 또한 굴토 공사전에 1층의 바닥이 흙막이벽 윗부분 을 고정시키고 단계별로 하부굴토공사와 바닥 구조공사가 진행되므로 터파기 기간중의 흙막 이벽의 변형이 작고, 주변의 건물이나 도로에 끼치는 침하장해를 최소한도로 막을 수가 있다. 따라서 현존하는 타공법에 비해 횡지지, 연직지지 강성이 우수하여 가장 안전한 공법으로 평가된다. 따라서 지하굴착부가
① 넓을 경우
② 깊을 경우
③ 비정형일 경우
④ 지하수위가 높거나, 연약층일 경우
⑤ 주변에 지반의 변형에 민감한 구조물이나 시설물이 있을 경우 등에 상대적으로 더욱 유리하다.
(2) 초기작업장 및 작업동선의 확보
1층 바닥을 선시공하면 초기의 작업장, 야적장 및 주차장 등으로 이용되고, 각 단계별 지하층 바닥구조 공사시에 램프와 계단실을 동시에 시 공하면서 내려가면 수직작업동선도 확보되므로 공사진행이 원활하다.
(3) 지붕의 확보
1층바닥이 지붕역할을 하므로 지하굴토 및 지 하구조 공사시에 우천 및 기온에 크게 영향을 받지 않는다.
(4) 공기단축
지하부 공사와 지상부 공사를 동시에 병행할 수 있으므로 공기를 단축할 수 있다. 공정표 계획시 하부구조와 상부구조의 Over Lap 공정을 잘 세우고 지하층의 기계실, 전기실 층을 최하부층에 배치하지 않고 바로 위층이나 2개층 위층에 배치할 경우에는 전체공기를 더욱 많이 단축시킬 수 있다.
(5) 소음․진동․분진 확산 방지
선시공된 지하층의 바닥구조로 인해 지하공사 시 소음, 진동 및 분진 등이 주변에 크게 확산 되지 않는다.
(6) 시각적․심리적 불안감 예방
1층이 바닥으로 덮혀 있어 굴토깊이가 보이지 않으므로 시각적, 심리적 불안감이 없어 민원 예방에 도움이 된다.
(7) 고소작업재해 감소
작업자는 선시공된 바닥구조나 땅위에서 작업을 하므로 고소작업에 대한 재해가 감소된다.
(8) 경제성
최근에는 earth anchor의 적용이 점차 어려워 지고 도심지에서는 근접지에 기존 건축물의 지 하실, 지하철, 도시시설매설물 등으로 인하여 차선책으로 Strut지지공법을 사용하게 되는데 지하굴착부가 넓고, 깊은 지하층의 공사에서는 Top-Down공법이 일반공법보다 장점이 많으며 현장에 적합한 공법 및 구조형식을 적용하여 공사계획을 세우면 공사비도 상당히 감소된다.
7.4 단점
(1) 역타이음부 발생
철근콘크리트 지하구조의 기둥 및 벽은 선시공 된 바닥구조의 하부로 콘크리트를 타설하므로 침강에 의한 틈이 생기므로 이음부 틈을 메우기 위한 별도의 공정이 필요하다.
(2) 굴토장비의 크기제한
선시공된 바닥구조로 인해 굴토작업의 높이 제한을 받으므로 대형 굴토장비의 사용이 곤란하다. 그러나 많은 Strut와 중간기둥이 있는가 시설흙막이벽에 의한 굴토작업에 비해 능률이 떨어진다고 볼 수는 없다.
(3) 조명 및 환기 시설
하부구조물에 대한 작업이 지중에서 진행되고, 선시공된 바닥구조로 인해 조명과 환기 시설이 필요하다.
(4) 선기초기둥의 수직도 관리
지반의 굴착 공내에서 기둥세우기를 하므로 기둥의 전 높이를 육안으로 확인하기 곤란하므로 수직도 시공오차에 대한 별도 조치가 필요하다.
(5) 지하바닥구조에 철골보적용 곤란
선시공된 바닥구조로 인해 지하층에 철골보의 반입 및 조립에 제한을 받고 선기초기둥의 수직도 정밀도가 떨어져 이음이 곤란하다. 따라 서 지하층바닥구조는 주로 철근콘크리트 구조를 채택한다.
이번 첫 회에서는 Top-Down공법의 탄생과 발전에 대하여 간략하게 소개하였고, 다음 회부터는 이와 관련된 실무에 도움이 될 수 있는 기술들과 적용사례들을 연재할 예정입니다.