1. 서 론

 

Suzhou-Nantong 양쯔강 교량사업은 중국에서 산업화가 가장 빠르게 진행되고 있는 인구 7,400만이 살고 있는 Jiangsu 지방에 위치하고 있다. 현재 상황은 남측 Jiangsu 지방이 빠르게 발전하고 있으나, 양쯔강이 이 지방의 북측으로의 접근을 가로막고 있어서 발전의 속도가 제한적이라는 문제점을 안고 있다. Sutong 교는 이러한 Suzhou 와 Nantong 지방을 연결하여 두 지역의 발전을 가속화 하려는 목표를 가지고 있다.

 

전체사업중 교량이 차지하는 연장은 총 8.2km 이며, 교량의 구성은 주 항로교량(Sutong 교), 특수항로 교량 및 접속 교량으로 구성되어 있다. 주 항로교량은 사장교로, 특수항로 교량은 140m+268m+140m 의 경간구성을 가지는 프리스트레스 콘크리트 연속 거더교 형식을 적용하였으며, 접속 교량은 각각 75m, 50m 및 30m 의 경간장을 가지는 프리스트레스 연속 거더교 형식으로 계획되었다. 교량 가설 지점에는 2개의 항로가 지나고 있는데, 주 항로 및 특수 항로 모두 Nantong 항에서 독점적으로 사용하고 있다.

 

Sutong 교의 상세설계는 Sutong 교 설계그룹 이라는 조직에서 수행하였고, 전체 사업의 시공관리는 CCD (Jiangsu 지방 Sutong 교 건설관리국)에서 담당하였으며, COWI A/S 사와 Ben C. Gerwick Inc 사가 특별 자문을 담당하였다.

 

교량 가설지점의 양쯔강의 폭은 약 6km 에 이르며 교량의 총 연장은 8km 에 이른다. 주탑 건설 지점의 현장조건은 매우 열악한 환경을 가지고 있다. 북측 주탑 및 4번 교각은 약 30m 수심에 위치하며, 남측 주탑과 5번 교각은 수심이 16m 인 지점에 위치하고 있다. 강물은 지속적으로 지류에서 유입되고, 간만의 영향도 받는 연유로 인하여 유속이 3.0m/s 에 달하는 열악한 환경이다. 현장의 최대 파고는 3.0m 이다. 하상 현황은 대부분이 충적층을 이루고 있으며 높은 풍화현상과 침전물로 인해 하상 지형은 빠른 변동성을 보이고 있다. 북측 주탑의 하상현황은 사질토가 주 성분이며, 남측 주탑의 하상은 실트 및 실트질 점토로 구성되어 있다. 이러한 현장 상황은 주탑 기초형식을 어떤 공법을 적용하더라도 즉각적인 지반의 변동을 야기할 수 있는 조건을 갖춘 것이다. Nanjing 수리 연구소에서 실시한 수리모형 실험을 통해 남측 주탑 케이슨 기초 형식에 대해 100년 재현주기 파도에 의해 29m 이상의 세굴이 발생하고, 대구경 말뚝기초를 적용하면 300년 재현주기 파도에 의해 24m 의 세굴이 발생하는 것으로 분석되었다.

지지 기반암은 하상에서 약 240m 하부에 위치하며 상부의 지층은 모래, 실트, 자갈 및 점토층으로 구성되어 있는 것으로 분석되었다.

 

이 지역은 양쯔강의 주 항로로 사용되고 있으며 다량의 바지선 통항과 50,000 ton 급의 컨테이너 선이 항로로 사용하고 있다.

 

 

 

 

2. 기초 설계

 

A-형상의 주탑에 대한 기초는 131개의 직경 2.8/2.5m 의 선굴착 말뚝으로 설계 되었다. (그림 4) 에 각 주탑의 말뚝 선단부 및 말뚝의 현황이 나타나 있다. 굴착말뚝의 선단부는 길이 113.8m, 폭 48.1m 의 아령형상의 콘크리트 구조로 13m 두께로 마감되어 있다.

 

 

 

말뚝 선단 보강부의 트레미 밀폐구조는 EL -10m 즉, 평균 해수면 하 -12m 에 위치하고 있다. 굴착 희생강관은 2.8m 직경 및 25mm 두께의 강관이 사용되었으며, (그림 5) EL - 7m 에서부터 EL - 53m 까지 가설되었다. 이 희생강관 선단부 이후의 말뚝은 직경 2.5m 로서 4번 교각의 경우 -124m 까지, 교각 5번의 경우 -121m 까지 연장되었고 이는 말뚝의 극한 지지력을 향상시키기 위해 시공되었다.

 

 

기초 말뚝의 극한 하중 강도는 4개의 육상 하중 시험을 통해 검증되었으며, 2개소는 5번 교각 및 남측 주탑, 나머지 2개소는 접속 교각에 대한 시험으로 수행되었다. 5번 교각에 대한 극한 하중시험 결과 극한 하중은 92MN (20,700 kips) 로 파악되었으며, 시험은 Osterberg 시험법이 적용되었다. 시험 말뚝 SZ5 는 선단부 그라우팅의 전, 후 에 해당하는 2회에 걸쳐 수행되어 선단 그라우팅 후 지지력이 증가하는 것을 확인하였는데, 시험결과 선단부 그라우팅 후 말뚝의 지지력이 약 20% , 15MN (3,375kips) 증가하는 것으로 나타났다. 선단부 그라우팅 후 하중-변위 곡선은 선단부 그라우팅 후 말뚝의 강성도 역시 상당히 증가하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 선단부 그라우팅이 말뚝의 선단부 뿐만 아니라 말뚝의 하단부의 측면마찰력 증대에도 긍정적인 역할을 한다는 것을 입증하였다.

 

3. 말뚝의 시공

 

빠른 강물의 유속으로 인하여 모든 말뚝시공은 교각 상단부에 제작 설치된 강재 플랫폼 상에서 수행되었고 이와 더불어서 주 플랫폼과 함께 상류 인양 플랫폼(13m X 44m) 와 하류 배치 플랜트 플랫폼 (39m x 44m) 가 함께 가설되었다. (그림 6)

 

 

 

굴착 플랫폼의 상단고는 7m 이며 이 수치는 개략 평균 해수면 위 3m 의 높이 이다. 주 플랫폼은 131개의 희생강관을 굴착하는 형판 및 굴착시 작업공간의 역할을 한다. 북측 주탑의 희생강관은 진동해머를 사용하고, 남측 희생강관은 디젤해머를 사용한다. (그림. 7) 이 구조물은 각각의 희생강관을 거치한 후 각 강관에 브레이싱을 부착하여 작업 데크에 위치를 고정함과 동시에 작업 데크 전체의 강성도 증가시킨다.

 

 

 

굴착은 8개의 회전 드릴기계를 작업대의 상부에 부착하여 수행하며, 드릴 선단의 비트는 작업상황에 따라 교체하여 운용한다. (그림 8, 9)

벤토나이트 슬러리와 파일 상단부 3m 여유치를 운용하여 굴착공 내부의 안정을 유지한다. 이러한 굴착과 콘크리트 타설은 이 작업 플랫폼에서 동시에 수행된다.

인접 말뚝을 굴착하기 위해 필요한 말뚝 콘크리트의 최소강도는 5MPa(723psi) 가 필요하며, 말뚝 선단 그라우팅 작업도 이러한 작업과 동시에 수행된다. 그러나 그라우팅 작업은 최소 이격거리 50m 이상을 굴착이나 콘크리트 타설 공정과 떨어져서 수행되어야 하는데 이는 그라우팅 작업시 발생하는 간극수압의 향상으로 인한 굴착공의 붕괴를 방지하기 위해서 이다.

 

  

 

철근망은 미리 4개의 면을 가공한 후 작업 데크 위에서 기계적으로 연결 한 후에 희생강관 내부로 내려 보낸다. 그 이후 콘크리트를 굴착공에 맞추어 트레미 파이프를 통해 타설한다. (그림 10)

 

 

 

콘크리트는 시간당 100m⁴ 용량을 생산할 수 있는 배치 플랜트에서 조달되며 이 배치 플랜트는 하류 플랫폼에 위치한다. 시멘트와 골재는 하류 플랫폼에 계류된 바지선에 의해서 운반된다.

 

말뚝 선단에 대한 사후 그라우팅은 철근망에 미리 부착한 4개의 원형모양의 파이프를 통해서 수행된다. 각 원형파이프는 철근망 하단에서 회전하여 굴착드릴 축의 안쪽까지 약 50cm 연장된다. 그라우트 재료는 이 파이프의 6개의 8mm 직경의 구멍을 통해 배출되며 파이프가 자전거 타이어 형상의 튜브 안에 보호되어 있는 관계로 일방향의 밸브가 형성된다. 콘크리트 타설 중에 이 튜브가 막히지 않게 하기 위해서 고압수를 굴착공에 분사하여 굴착 팁 주변을 계속 씻어낸다. 이때 사후 그라우팅은 순수한 시멘트를 이용하여 수행한다.

 

4. 세굴 방지공

 

2개의 주탑 기초에 대한 개념적인 세굴 방지공이 덴마크 COWI A/S 사에 의해서 수행되었으며 상세 세굴방지공의 설계는 CPD에서 수행하였다. 또한 수리검토 및 하상 측량은 Nanjing 수리 연구소에서 수행하였다.

 

세굴방지공에 대한 수리적 설계 변수는 유체흐름, 수위 및 파도 등의 조합에 의해 결정된다. (그림 11 참조)

 

  

 

강물 흐름에 직교하는 말뚝 그룹의 넓이는 48m 이며, 길이는 112m 에 이른다. 수리모형실험 결과는 구조물 주변의 세굴영향 범위는 4방향이 모두 같으며 개략적으로 60m 에 달하는 것으로 분석되었다.

 

세굴방지공에 대한 아이디어는 기본적으로 COWI 사의 경험과 양쯔강의 대단히 복잡한 현황에 대한 연구가 종합적으로 반영되어 고안된 것이다.

 

이러한 세굴방지공의 가장 커다란 문제점은 이러한 보호공의 시공이었다. 세굴방지공은 그 자체로서 공사가 너무 어렵지 않아야 하고 이와 더불어 시공 중에 세굴이 발생하지 않아야 한다. 만일 교량 교각이 사전에 세굴 방지공이 없이 시공되었다면 그 이후에 발생하는 세굴은 대단히 급속하게 진행되기 때문에 그 이후에 세굴방지공을 추가로 설치하기가 매우 어려우며 하상면이 침식되어 더욱 낮아지게 되므로 기존의 하상고의 이점이 사라지게 될 것이다.

 

따라서 세굴방지공은 (그림 12) 에 나타난 바와 같이 먼저 중앙부 교각의 세굴방지공을 설치하여 그 위치의 교각설치가 가능하게 한 후 나머지 부분의 세굴방지공을 설치하도록 반영하였다.

 

 

 

대단히 빠른 유속과 높은 침전물 이동 등으로 인하여 적용되는 세굴방지공은 상대적으로 간단하고 튼튼하며, 세굴방지공 설치면의 높은 정밀도가 요구되지 않도록 하는 것이 필요하다. 또한 개별 세굴방지공의 범위를 되도록 작게 선정하여 전체 세굴방지공을 시공하도록 하는 것이 바람직하며, 마지막 방지공은 튼튼하게 시공하여 정밀도의 영향을 받지 않도록 하여야 한다.

 

이러한 고려사항을 바탕으로 설계팀은 대규모의 사전 제작 메트레스를 사용하는 것을 철회하였다. 이러한 방법은 비록 효과는 있지만 시공이 어렵고 현장과 같은 유속이 빠른 상황에서는 거치도 매우 난해하기 때문이었다.

 

Sutong 교의 주탑에 대한 세굴방지공의 주된 아이디어는 세 개의 죤을 구분하여 적용하는 것이다.

 

(1) 중앙부 또는 내부 죤

이 영역은 주탑의 말뚝기초를 포함하는 부분과 가설 구조물이 위치하는 구간이다. 해당 영역은 구조물로부터 20m 까지 확장되어 구분되며 이 구간에는 하상면은 임시적으로 3 층의 모래주머니를 포설하여 보호한다. (그림 13)

 

 

 

이러한 개념의 이면에는 이러한 행위를 통하여 하상은 보호받게 되나 그럼에도 불구하고 말뚝이 침식당할 가능성은 있는 개념이다.

말뚝시공이 완료된 후 quarry-run 층에 의한 필터층 시공 및 최소 2층의 보호석 설치의 마지막 보호공 시공을 수행한다.

 

(2) 외측 영역

내부 영역 뒤로 외부 영역이 위치한다. 이 영역은 중앙 영역 에서부터 40m 바깥까지를 포함하게 된다. 이 영역의 세굴방지공은 1층은 모래주머니로 보강 한 후 그 위에 quarry-run 층을 두고 최종적으로 1층의 보호석을 포설한다.

 

(3) 낙하 에이프런 영역

중앙 영역과 외측 영역의 외부에 낙하 에이프런 영역이 위치하며 이 영역의 넓이는 세굴깊이에 의해 결정되며 이 수치는 실제 예상되는 세굴 최대깊이의 1.5배가 된다. 이 영역에 사용되는 보호공은 quarry-run 1개층과 quarry 석재를 덮어 시공한다.

 

이러한 낙하 에이프런 영역의 시공시 세굴의 영향범위를 분석하여 이 구간까지 모래주머니를 포설할 것인지를 판단하여야 한다. 이러한 낙하 에이프런 개념은 많은 국가에서 하상에 설치되는 구조물의 세굴이 상당한 깊이 까지 발생할 것으로 예상되는 지점에 적용하고 있는 개념이다.

 

 

 

이러한 개념은 낙하 에이프런 영역의 보호공 재료가 세굴로 인한 비탈면으로 낙하하면 자동적으로 안정화가 된다는 개념이다.

표 1은 북쪽 및 남쪽 주탑의 세굴 방지공에 대한 보호석 크기 및 모래주머니의 크기를 나타낸 표로서 모래주머니의 경우 시공시 임시 보호공으로서 외부에 노출되며 향후 보호석으로 덮이게 된다.

 

그러나 실제적인 시공시에는 같은 크기의 모래주머니와 같은 크기의 보호석이 외부 영역과 낙하 에이프런 영역에 포설되기도 한다. 실제 사용되는 모래주머니 크기는 1.6m X 1.6m X 0.6m 이다.

 

5. 말뚝 선단부 시공

 

13.3m 두께의 말뚝 선단부 보호구조물이 각각의 주탑 하부의 EL -7.0m 및 EL +6.3m 범위에 가설되었다. 이 구조물은 최초에 가설위치 바로 상부위치의 수중에서 2중벽의 케이슨에 의해 가설된다. 1.8/2.0m 두께의 이중 벽 또는 주변 벽체는 수압에 밀실하게 가설되며 (그림 14) 에 나타난 바와 같이 4가지 기능을 수행한다.

이것은 일차적으로 주변장 강성강화 프레임의 역할을 수행하여 케이슨 하강시에 강성을 증대시킨다. 두 번째는 케이슨이 수면 밑으로 강하하여 최종 위치인 EL -10m 에 도달시 부력탱크 역할을 수행하여 자중을 감소시킨다. 세 번째는 임시 가물막이 작용 및 말뚝 선단부 시공시 영구 외부 거푸집의 역할을 수행한다. 그리고 마지막으로 교량의 공용기간 중 선박 충돌 보호공의 역할을 수행한다. 이 주변벽체는 EL -1.0 까지 콘크리트로 채워진다.

 

 

6. 결론

 

Sutong 교의 기초설계 및 시공팀은 양쯔강에 건설된 세계 최고의 교량을 세계 최고의 난이도를 극복하고 시공하는데 성공하였다. 설계팀은 시공분야의 팀원들과 상호 협력하여 혁신적인 해법을 찾아내어 대단히 까다로운 요구조건들을 극복해 내었고 남은 공사에서도 대단히 열악한 상황을 극복하고 시공을 완료하였다.

 

▣ 원문제목 : DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE SUTONG BRIDGE FOUNDATIONS