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케이슨 시공법

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해양토목

2020. 3. 20.

케이슨 / CAISSON / 속채움 / 케이슨보수보강

 


케이슨

CAISSON

 

상자 형태로 제작된 콘크리트 구조물로서 교량의 기초, 방파제, 안벽 등의 본체용 구조물로 사용되며 토사나 사석으로 내부를 채우는 것을 말함.

수중 구조물이나 기초를 구축하기 위하여 육상 또는 수상에서 만들어진 중공형태의 구조물로, 자중 또는 외력을 가하여 소정의 위치까지 침하시키는 작업.

 

근래 국내 산업의 고도화와 수출입 증가에 따른 경제력의 상승과 함께 도로, 교량 및 항만시설의 확충과 각종 호안 및 해상구조물의 건설이 급증했으며, 해양수산부는 9대 신항만의 건설과 기존어항의 재개발을 추진하고 있다. 이러한 개발구조물은 교각기초와 안벽, 돌핀, 돌제 등은 강재나 콘크리트 파일로 새롭게 건설되고 있는 추세이다.

 

이러한 해양 재개발 구조물들의 기초, 지지격벽 및 파일은 건설 후에 수면아래에 있게 되는데, 수중부 구조물인만큼 수중상태 파악이 어렵고, 구조물의 보수나 보강이 제대로 이루어지지않아 보수보강이 시급한상태이다.


(주)대한마린산업은 해양 구조물들의 수중부 및 육상부 보수보강은 물론, 부두 보강을 전문으로 한 기업입니다.

구조물의 상태 및 환경특성, 저해요인 등을 고려하여 보수 보강을 완벽히 해내고 있습니다.

 

 


케이슨 보수보강

 

국내외 갑문 및 부두 등에서 선박의 충돌로 인한 콘크리트 전면 벽체 및 바닥판 및 강관파일의 파손, 대규모 손괴 및 케이슨 위치 이동 및 노후화 등의 다양한 문제가 발생한다.

국내 주요 항만시설인 갑문으로 대형선박이 진입하면서 운항부주의로 인해 갑문을 보호하는 역할을 하는 리딩 돌핀에 충돌하는 사고 혹은 부두 항만에 하역작업 또는 입항 시에 진입으로 인한 추돌사고가 많이 발생한다. 이러한 추돌사고로 인한 케이슨의 보수, 보강을 진행하는데 (주)대한마린산업은 케이슨에 발생된 손상을 보수, 보강하고 시설물을 원위치로 이동하는 수중부 보수, 보강공사 및 대형 해상장비를 활용한 항만공사를 병행하는 종합적인 보수, 보강 계획을 시행하고 있습니다.

 

 

  보수, 보강 방안  

 

손상단면에 대한 보수, 보강을 완전히 실시

 주변의 임시 가거치장에 케이슨을 인양, 진수 및 가거치 한 후

원위치로 재거부두시설물의 안전성 측면에서 보수, 보강은 필수이며

선박의 추돌로 인해 발생되는 손상은 부두의 사용성 및 안전성에 큰 영향을 미친다.
케이슨 보수보강은 부두의 안전성을 확보하고 원상복구하여

부두시설의 보수보강으로 물류에 지장이 없도록 완벽히 시공.

 

  보수방안  

 

 손상부의 철근콘크리트 부재 중 선박의 직접적인 추돌이 작용한 범위의

바닥판 및 보의 철거가 필요할 시에 철거후에 재시공

 추돌로 인한 박리 및 균열이 발생된 바닥판 및 보는 단면보수 및 보강을 실시
③ 추돌로 인한 파손이 발생된 강관파일은 수중부에서 강관파일을 절단 후

기존 파일보다 구경이 큰 강관파일을 항타하여 시공.

④ 변형이 발생된 강관파일은 강판을 덧대어 용접

 

  순서  

 

 손상부 철거

 가시설 공사

③ 강관파일 인발 및 항타, 강관파일 보강공사

④ 철근콘크리트 공사

⑤ 크레인 레일 및 신축이음 장치 공사


파손으로 인한 본래의 역할을 수행할 수 없는 바닥판 및 가로·세로보, 강관파일등은 재시공하는 방법을 제시하였으며,

그 외 보수보강을 제안함으로서 원래의 역할을 수행할 수 있는 부재는 그에 따른 최적의 보수·보강 방안을 제시하여 본래 부두의 기능을 확보하였다.

 

 


케이슨 종류

 

바닥이 없는 원통모양의 상자 내부를 굴착하면서 침하시키는 것을 오픈 케이슨 또는 우물통이라고함.

케이슨 하부에 기밀한 작업공간을 만들고 그 속에 압축공기로 지하수를 배제하면서 인력 또는 특수한 기계를 이용하여 침하시키는 것을 뉴메틱 케이슨 이라고함.

 

 

  오픈케이슨  

Open Caisson

 

상하부가 열려있는 콘크리트 통을 사전에 구축하여 구체 저면의 흙을 내부에서 굴착, 배출시키면서 케이슨을 침하시키고 이런 구축과 굴착침하의 작업을 반복하여 소정의 깊이까지 도달시키는 공법

 

― 단점 ―


굴착위치가 부정확하게 되어 치우친 굴착을 할 가능성 존재

기초지반의 토질상태를 직접 확인할 수 없고, 큰 전석등의 장애물이 있을시 공사가 어려워짐

수중 타설한 저부 콘크리트 품질에 문제가 생길 수 있음
주변지반의 융기(heaving)나 분사(boiling)현상이 발생하기 쉬움
케이슨 저부에 발생하는 슬라임을 깨끗이 제거하기 어려움

 

― 장점 ―

 

시공 깊이에 제한이 없으며, 기계설비가 비고적 간단
공사비가 뉴메틱케이슨기초에 비하여 상대적으로 저렴

 

― 단계별 시공순서 ―


① 지표면 정지작업, 지지력이 부족한 경우 모래등을 깔아 지반개량
② 케이슨 슈와 거푸집을 설치하고 콘크리트를 타설하여 제1구체 구축
③ 케이슨 내 흙을 그래브버킷, 크람셀, 펌프 등으로 굴착하면서 케이슨을 침하 시킴

④ 구체 구축과 굴착 반복하여 지지층까지 시공
⑤ 케이슨 하부에 수중콘크리트 타설하고, 양생과정을 거친 후 펌프로 남은 물을 양수하고 속채움 실시

⑥ 상부슬래브를 타설하고 임시벽 철거

 

 

  뉴메틱케이슨  

Pneumatic Caisson

 

대형구조물의 기초시공을 위한 공법의 한 종류로서 육상에서 제작한 케이슨을 해상위치에 설치한 후, 케이슨 선단 부분의 천장을 막아서 아래에 작업공간을 설치하고, 작업실 내부에 압축공기를 보내어 지하의 수압에 대응하는 압력의 공기를 보내고, 건조한 상태의 실내로 작업원이 들어가 토사를 굴착, 배토하여 케이슨을 지지기반에침하시키는 공법

 

― 단계별 시공순서 ―


지표면 정지작업 및 케이슨 슈를 설치하고 작업실 구축을 위한 동바리와 거푸집 설치 후

콘크리트를 타설하여 제 1구체를 구축
기공실과 세로관 설치
압축공기 주입하고 굴착

구체 구축과 굴착을 반복하여 지지층까지 시공 후 지지력 시험을 실시
작업실에 속채움 콘크리트 주입

양수 후 케이슨 속채움을 완료하고, 상부슬래브에 콘크리트를 타설한 다음 임시벽 철거

 

 

  박스케이슨  

Box Caisson

 

육상에서 제작한 저면이 폐단면인 케이슨을 해상에서 예인하여 미리 수평하게 정지된 지지층에 거취하고 박스의 내부를 모래, 자갈, 콘크리트, 또는 물로 채워 침하시키는 공법

 

 


케이슨의 발달

 

선박의 대형화에 따라 항만구조물도 점차 대형화되며 케이슨은 대형안벽 및 방파제의 직립구조로 인해 점차 늘고있는 추세이다.

케이슨의 발달은 해상공사의 자연환경으로인한 시공 및 품질관리가 어려운 점을 보완, 해상에서의 시공기간 및 시공 분량을 줄여 시공 및 품질관리에 효율적이다.

 

  적용  

 

― 항만 ―

철근 콘크리트제의 상자 모양.

 

부양식 독(dock)이나 육상의 독에서 제작되고 해상을 예항선(曳航船) 또는 기중기선에 의해 매달려 현장으로 운반되어 방파제 또는 중력식 구조의 계선안 본체로서 설치된다.

 

― 기초 ―

오픈 케이슨 및 뉴매틱 케이슨의 총칭.

 

케이슨은 그 자체가 큰 단면을 가지며, 말뚝 기초에 비해 지지력이나 수평 저항력이 크고 또 수중 시공이 확실히 이루어질 수 있다. 또한 케이슨은 기초로서 이용되는 것 외에 직 4각형 단면인 것을 일렬로 배열하여 침하시켜 서로 통하게 하여 지하철이나 건물의 지하실 등으로 만들 수 있다.

 

  케이슨 활용  


 수심 25m 이하 수중에 기초를 시공할 경우
 중간층에 자갈층 등이 존재하여 말뚝 시공이 곤란한 경우
대규모 수평하중이 작용하는 구조물인 경우
상부구조가 장대교량 등으로 강성이 크고 지진에 대한 안정성이 요구되는 경우

 

  케이슨 특징  


연약한 지반이나 수심이 깊은 곳에서도 시공이 가능(단, 연약지반의 경우 초기 침하에 주의)
시공 시 인접구조물에 대한 영향은 양압력에 의한 경우가 많음
공기는 비교적 길지만 우기 시 시공이 가능하므로 합리적인 공정관리가 가능
노동집약적 시공이므로 안전관리에 각별한 주의를 기울여야 함
관련설비가 고정식이 많아 경비가 높고 소규모 기초에는 비경제적

 

 


케이슨 제작 진수방법

 

해저면을 그래브 준설선등을 이용하여 수평하게 굴착
육상에서 케이슨을 제작
케이슨을 크레인 또는 예인선으로 운반

케이슨 내부에 속채움 실시하여 침설
케이슨 주변을 사석이나 수중 콘크리트로 밑다짐

주로 육상에서 소형케이슨을 제작 해상기중기선을 이용하여 진수

케이슨 중량이 해상기중기의 양중용량에 좌우되므로 대형케이슨의 제작 진수는 해상기중기의 양중용량이 큼.

 

  케이슨제작  

 

 저판 - 철근조립, 거푸집설치, 콘크리트 타설, 양생
벽체-Slip Form 이용, 철근조립, 콘크리트 타설 케이슨 이동
양생 및 차수판 설치, 완성검사 → Floating Dock에 선적

 

케이슨 진수공법은 케이슨의 크기와 제작 및 진수 수량, 공사비, 공기, 설치위치의 지형, 자연조건, 설치장소까지의 거리, 운반방법 등을 고려하여 선정함.

 

  진수공법  

 

 경사로에 의한 진수

 건선거에 의한 진수

부선거에 의한 진수

사상(모래위) 진수

⑤ 가체절 방식에 의한 진수

⑥ 기중기선에 의한 진수

⑦ Syncro lift에 의한 진수

 

 

  반잠수식 슬라이딩 공법  

Draft Controlled Launcher

 

Floating Dock의 한쪽으로 주수하여 FD선이 기울어지도록 하여 케이슨을 슬라이딩시킴

 

― 장점 ―

 

작은 수심에서도 진수 가능, 진수 속도가 빠름
작은 크기의 부선으로 작업가능, 케이슨의 흘수와 관계없이 진수

 

― 단점 ―

 

넓은 진수장소 필요, 변장비에 따른 안정성 검토 필요
슬라이딩 속도 조절이 어려움, 케이슨 상부 덮개 제작 필요

 

― 반잠수식 슬라이딩 진수공법 ―

 

일반적으로 FD선을 예인하여 진수구역에 도착한 후, FD선 정박 및 보조 Cutting wire 설치, 케이슨 내부 충수, FD선 주수 및 슬라이딩, 케이슨 예인의 순으로 진행.

 

― 이동 ―

 

육상에서 제작된 케이슨은 FD선에 선적되어 진수장까지 예인선에 의해 운송된다. 케이슨 진수를 위하여 진수장은 수심이 확보되는 위치여야 하며, 통행선박이나 작업선박의 영향을 받지 않는 장소여야 한다.

 

 

  완전잠수공법  

Floating Caisson Launcher

 

FD선을 케이슨이 부양될 때까지 주수하여 침강시킴

 

― 장점 ―


변장비가 큰 케이슨 진수 가능, 상대적으로 좁은 진수장소, 케이슨 구조체의 안정성 확보

 

― 단점 ―

 

진수속도가 느림, 진수장의 대수심 확보 필요, FD선의 대형화 필요

 

― 완전잠수식 진수공법 ―

 

일반적 순서는 케이슨 내부 충수, FD선 진수장 이동 및 정박, 케이슨 부양 될 때까지 FD선에 주수 후 예인선을 이용하여 케이슨을 거치장소까지 이동.

 

침강

 

예인선에 의해 거치위치에 도착한 케이슨은 미리 준비된 펌프로 각 격실에 주수하여 침강.

 

― 케이슨 수평잡기 ―

 

케이슨의 수직도와 수평도 확인 네모서리의 레벨을 측정 격실별 주수로 레벨 미세 조정 수평잡기

 

― 침설 ―

 

기 설치된 케이슨과의 간격측정 정위치 고정 주수 침설

파랑에 주의하여 속채움 실시
파랑으로인한 케이슨의 변위를 고려하여 충분히 주수 후 안정성을 높임.

주수 및 속채움 시 격실간 수두 및 높이차를 최소화함.


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