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('20년 연구과제) 지하흙막이 공사 스마트계측 도입과 제도 개선 방안

이재환 수석연구원, 김정환 연구위원, 박민철 수석연구원, 김종욱 전임연구원 2021.01.28 307

지하흙막이 공사 스마트계측 도입과 제도 개선 방안

연구기간 : '20.03.16.~'20.12.31.(9.5개월)

연구책임 : 이재환 수석연구원

연구진 : 김정환 연구위원, 박민철 수석연구원, 김종욱 전임연구원


포화된 지상공간으로 인해 서울시의 지하공간 개발이 꾸준히 증가하고 있음. 지하 굴착공사 시에 흙막이 구조물과 시민의 안전을 확보하기 위해 스마트계측 관리기술 도입 방안을 마련하고 제도 개선 방안 제시

지하공간 개발의 증가에 따라, 공사장 안전 확보를 위해 계측관리의 중요성 커져

서울시는 구조물의 대형화, 고층화가 이루어지고 있으며, 포화된 지상공간으로 인해 지하공간의 개발이 꾸준히 증가하고 있다. 이에 따라 대심도 지하공간 굴착, 도심지 근접시공 등이 증가하고 있으며, 점차 대규모 지반굴착 공사의 증대로 이어지고 있는 추세이다. 토목 기술이 발전하고 관련 공사가 대형화됨에 따라 공사 중 예측 불가능한 안전사고의 위험요인이 더욱 증가하고 있어, 도심지 공사현장의 위험요소를 모니터링하고 사전에 예측하는 것이 반드시 필요하다.

지하공간 개발에 따른 시민의 안전 확보를 위해 서울시는 서울특별시 지하안전관리에 관한 조례(이하 서울시 조례라 함)를 제정하고, 서울시 지하시설물 통합 안전관리대책을 수립하는 등 각고의 노력을 기울이고 있지만, 지하공간 개발에서 공사장 흙막이가 붕괴되는 사고는 여전히 발생하고 있는 실정이다. 국토교통부 건설공사 안전관리 종합정보망에 따르면, 2020년 건설공사 중 발생한 사고는 총 6,399건으로 가시설은 40.3%2,577건이며, 그중 흙막이 가시설 사고는 41.2%로 높은 비율을 차지하고 있으며, 사고 또한 매년 반복되고 있다. 따라서 지하흙막이 공사 중 구조물 및 주변 건축물의 안전성을 확보하고 흙막이 벽체의 변형 등을 사전에 예방하기 위하여 계측기기를 설치·관리하는 계측관리의 중요성이 갈수록 커지고 있다.

현행 계측관리 방법으로는 공사장 안전 확보에 한계

굴착공사에 수반되는 지하흙막이 공사는 계측관리를 통해 시공 중 안전성 및 인접 시설물의 안정성을 확보하도록 권장하고 있다. 그러나 굴착깊이 10 m 미만의 소규모 또는 굴토심의 제외 대상 흙막이 구조물은 계측관리가 유명무실해 크고 작은 사고가 빈번하게 발생하고 있다.

현재 우리나라의 계측방식은 수동계측을 주로 시행해 오고 있다. ·소규모의 민간 공사장에서 많이 사용되는 수동계측의 경우 보통 주 1~2회 측정하고 측정 후 계측보고서를 만들어 시공사에 보고되기까지 약 7~10일 정도가 소요된다. 이러한 계측 공백이 발생하면 현장의 위험징후를 실시간으로 인지하지 못하고, 계측결과의 공유가 늦어지면서 안전 문제가 발생할 확률이 높아지는 것이다. 한편, 공사현장의 계측정보를 실시간으로 취득하여 실시간 계측관리를 할 수 있는 자동화 계측기술이 적용되고는 있지만, 비용이 고가로 건설원가를 상승시키는 요인으로 작용하여 중·소규모의 민간 공사장에서의 실효성은 매우 떨어지고 있다.

또한 현재 계측관리 용역은 시공사가 업체를 선정하여 수행하는 방식으로 관리관 또는 감독기관에서 실제 계측결과를 공유받을 수 없는 구조로 되어 있어, 계측 데이터의 신뢰성이 문제가 되고 있다. 많은 사고 사례를 보면, 계측의 주요 목적인 위험을 사전에 인지하지 못하여 선제적으로 대응하지 못하였고, 사고 직전의 계측데이터가 없거나 사전에 이상징후를 인지하지 못한 상태에서 사고가 발생한 것으로 보고되었다. 특히 소규모 공사장의 경우에는 계측관리가 부실한 현실이지만, 계측관리를 강화할 수 있는 제도 개선에 대한 준비는 아직 미흡하다. 따라서 공사장의 안전을 보다 적극적으로 확보하기 위해서는 계측 기준과 계측 방법 등을 개선하여 실시간으로 흙막이 구조물의 안전성 확인이 가능하도록 현행 계측관리방법의 개선이 필요한 시점이다.

기존 계측방법의 기술적 한계를 보완한 스마트계측 관리기술 도입 방안 제시

지하흙막이 공사장과 인접시설물, 시민의 안전을 위해 공사현장의 정보를 실시간으로 계측관리할 수 있는 자동화 계측 기술의 개선이 시급하다. 특히 수동계측의 문제점을 비롯한 현안들을 보완하거나 현재 기술 수준을 개선할 수 있는 스마트계측 관리기술의 도입이 필요한 시점이다. 본 연구에서는 현재 시행되고 있는 흙막이 계측관리 방법의 한계를 보완하고 흙막이 붕괴재해 및 안전사고를 예방할 수 있도록, 실시간 계측관리를 할 수 있는 스마트계측 관리기술의 구성요소, 역할, 권장사양 등 도입 방안을 제시하였다.

스마트계측 관리기술은 무선센서 네트워크 기반 모니터링 시스템과 유지관리 시스템으로 구성된다. 계측기기를 통해 흙막이 가시설의 안정성과 배면 지반, 인접 구조물의 거동 등을 측정하며, 획득된 계측정보는 센서노드를 거쳐 게이트웨이로 전달한다. 게이트웨이는 획득된 계측정보를 관리서버로 전송하고 센서노드의 전력 레벨과 상태를 제어관리 할 수 있고, 측정주기를 자동으로 제어한다. 또한, 접근 네트워크는 무선 통신으로 흙막이 공사장의 네트워크망을 구성하며, 데이터 보안성과 안정성을 확보한다. 스마트계측 관리기술은 저전력·고효율·보급형 IoT 센싱망을 구성하여 자동계측에 비해 많은 지점의 계측데이터를 효율적으로 모니터링할 수 있어, 이에 대한 지속적인 관심과 개발이 필요하다.

지하흙막이 공사장 계측관리 제도 개선 필요

현재 우리나라의 계측관리 관련 법 또는 설계기준은 정부, 지자체 및 시설물관리 기관에서 수립하여 설계부터 시공 시까지 유지되도록 권장하고 있으며, 대부분 계측기기의 종류, 계측항목, 측정 빈도, 설치 및 시공방법 등 계측관리 전반에 대한 내용이 제시되어 있다.

계측관리 관련 법 또는 설계기준이 수립되어 있음에도 불구하고 지하흙막이 공사장의 사고는 줄어들지 않고, 매년 발생하고 있다. 그 원인은 지하흙막이 공사장의 굴착깊이가 주로 10 m 미만이어서 계측관리가 부실하거나 수동계측 위주로 수행되기 때문이다. 이는 지하 굴착 시 발생하는 상황을 실시간으로 인지하지 못하고, 계측 결과의 해석능력 부족 또는 계측 결과의 공유가 늦어지는 문제로 이어지며 흙막이 가시설의 안전에 문제가 발생하는 것이다. 실제 계측관리 중 지보재의 응력계 또는 하중계의 계측결과가 응력손실을 보여주고 있음에도 관리기준 초과 여부만을 관리기준으로 설정하여 흙막이 가시설에 과다한 변형이 발생하거나 붕괴되는 경우도 확인되고 있다.

2000년 이후 확인된 흙막이 사고사례 48건을 토대로 사고 발생원인과 계측관리와의 상관성을 분석한 결과, 흙막이 가시설의 피해는 배면지반에 우수 또는 상재하중이 증가하여 발생하는 경우가 약 38%에 해당하였고, 피해 발생부위는 코너부 및 우각부가 흙막이 가시설 피해 발생 경우의 약 24%로 가장 많이 발생되는 것으로 분석되었다.

이와 같이, 계측관리 법규 및 지침 등으로 흙막이 구조물의 안전성을 확보하도록 유도하고 있지만, 지속적으로 발생하는 지하흙막이 공사장의 사고 발생을 감소시키기 위해서는 실시간 계측관리를 지향하고, 흙막이 공사장의 배면지반의 관리, 코너부 또는 우각부에서의 계측계획 개선 등 기존의 계측관리 제도가 개선되어야 한다.

공사장 안전 확보를 위한 계측관리 제도 개선() 마련

본 연구에서는 현행 지하흙막이 계측관리기술을 고도화하고 계측 품질 향상 및 공사장 안전 피해를 최소화하기 위해 서울시 조례와 서울시의 지하흙막이 공사 계측관리 기준의 개선()을 제시하였다.

첫째, 현행 서울시 조례에는 흙막이 계측관리에 관한 규정이 부재한 실정이므로, 새로운 스마트계측 관리기술 도입을 위한 관련 규정()을 제시하였다. 스마트계측을 원칙으로 하되 일정한 경우 수동계측의 예외를 인정하며, 각각의 예외 인정 범위에 대한 구체적인 설명을 제시하여 제13(흙막이 계측관리)를 신설하고 해당 용어의 정의를 제2조에 추가하여 전문가 자문 과정을 거쳐 서울시 조례 개정()을 도출하였다.

둘째, 소규모 흙막이 공사장의 주요 붕괴 사례를 분석한 결과, 초기 과다 굴착으로 인한 흙막이 벽체의 변형 발생, 작업로 미확보로 인한 계측관리 불량, 배면지반에 상재하중 또는 우수 침투에 의한 벽체 작용하중의 증가로 인한 흙막이 벽체의 붕괴가 주원인으로 조사되었다. 이에 따라 소규모 굴착 현장으로 분류되어 굴토심의 또는 지하안전영향평가 대상에서 제외되는 지하흙막이 공사현장의 계측관리 대책방안을 다음과 같이 제시하였다.

지중경사계, 지하수위계, 간극수압계, 응력계 등 기존의 가시설 계측계획을 준수하도록 하고, 굴착영향 범위에 건축물이 있는 경우에 배면지반에 침하계와 건물경사계, 균열측정계를 추가 계측항목으로 설정하여 지하흙막이 가시설과 인접시설물의 안정성을 확보할 수 있도록 하였다. 지중경사계 미계측으로 인한 계측공백이 생기지 않도록 지중경사계는 최우선 설치하며, 운영할 수 없는 경우에는 벽체경사를 측정할 수 있도록 대책방안을 수립하였다.

셋째, 흙막이 공사 사고사례 분석 결과, 계측관리 기준 또는 지침에서 권장하는 계측관리 계획을 따른 경우라 하더라도 흙막이 사고로 이어지는 경우가 확인되었고, 특히 필수 구간에 계측기가 설치되어 있지 않거나, 설치되어 있더라도 계측관리가 되지 않은 경우가 확인되었다. 현재 서울시의 흙막이 가시설 관련 계측관리는 도시기반시설본부와 주택건축본부에서 수립한 서울지하철 계측관리 요령 개선(이하 계측관리 요령이라 함)서울특별시 굴토 전문위원회 심의 매뉴얼(이하 굴토 심의 매뉴얼이라 함)이 있지만, 계측기 설치간격(위치), 계측빈도 등에 대해서는 일관된 기준이 필요하다. 이에 본 연구에서는 사고사례 조사를 통해 확인된 계측기 설치간격(위치), 계측 빈도에 대해서 제도 개선 방안을 제시하였다.

계측기 설치간격은 현 계측기 설치간격 기준을 준용하되, 설치위치에 대해서는 다음과 같이 개정한다.

1) 지중경사계의 설치간격은 현 기준 0~50 m를 기준으로 하나, 4면 이상 배치하고 굴착벽체의 형식이 변경되는 구간에 우선 배치 또는 추가하여야 함. 또한 우각부 또는 굴착선형이 변경되는 구간에 우선 배치 또는 추가 배치

2) 지표침하계는 각 굴착면인 4면 이상에 배치되어야 하며, 굴착영향범위 내에 시설물(지장물 또는 건축물 등)이 존재하는 경우에는 반드시 설치

3) 건물경사계는 굴착영향범위 내에 시설물(지장물 또는 건축물 등)이 존재하는 경우에는 반드시 설치하여야 하며 각 굴착 배면 모두에 해당

4) 응력계 및 하중계는 지보재 각 단 모두에 설치를 권장하며, 우각부 또는 코너부에 우선 배치 또는 추가 배치함. 또한 굴착단면이 변경되는 구간, 지지형식이 변경되는 구간에 우선 배치 또는 추가 배치

5) 지하수위계는 각 굴착면인 4면에 배치

계측빈도도 현 계측빈도를 준용하되, 이상 발생 또는 감지 시에 계측빈도를 추가하도록 다음과 같이 개정한다.

1) 계측빈도는 현재 매뉴얼과 동일하게 /(굴착공사 시 2회 이상/)를 유지하되 이상 발생 시 또는 관리기준치 초과 시에는 수시 계측을 시행한다.

2) 수시계측은 1회 이상/일을 기준으로 하고, 수시 계측으로 확인된 계측결과는 현장 안전관리자에게 결과를 전달하여 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있도록 한다.