케이슨

3. 오픈 케이슨의 특징

'''오픈 케이슨'''은 바닥면이 없다는 점을 제외하면 박스 케이슨과 유사하다. 부드러운 점토질 지반(예: 일부 강바닥)에 사용하기에 적합하지만, 지면에 큰 장애물이 있을 수 있는 곳에는 적합하지 않다. 부드러운 지반이나 높은 지하수위에서 개방형 트렌치 굴착이 어려운 경우, 오픈 케이슨은 깊은 맨홀, 펌프장, 마이크로터널링을 위한 수신/발사 구덩이, 파이프 잭킹 및 기타 작업 설치에 사용될 수 있다.

케이슨은 자체 무게, 상단에 배치된 콘크리트 또는 물 밸러스트, 유압 잭에 의해 가라앉는다. 케이슨의 선단(또는 '절단 슈')은 수직 침하를 돕기 위해 날카로운 각도로 기울어져 있으며, 일반적으로 강철로 만들어진다. 슈는 일반적으로 마찰을 줄이기 위해 케이슨보다 넓게 제작되며, 선단에는 물에서 부풀어 움푹 들어간 곳과 빈 공간을 채워 침전을 안정시키는 가압된 벤토나이트 슬러리가 공급될 수 있다. 오픈 케이슨은 침하 중에 물로 채워질 수 있으며, 재료는 크레인에 클램쉘 굴삭기 버킷으로 굴착된다.

형성 레벨의 하부 토양이 굴착이나 지지력에 적합하지 않을 수 있다. 높은 지하수위로 인해 케이슨의 물은 그 아래 부드러운 토양의 상향력을 균형있게 만든다. 물을 제거하면 바닥이 "파이핑"되거나 "비등"될 수 있으며, 케이슨이 침하될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 말뚝을 지표면에 박아 하중 지지 벽처럼 하중을 더 깊은 토양으로 전달하거나, 앵커처럼 표면과 말뚝을 박은 주변 토양 사이의 마찰로 인해 부력을 저항하는 역할을 하도록 할 수 있다.

H-빔 단면(일반적인 기둥 단면, 모든 축에서 굽힘 저항 때문)은 암반 또는 기타 더 단단한 토양에 "경사지게" 각도로 박을 수 있다. H-빔은 바닥 위로 연장된 상태로 남겨둔다. 트레미 콘크리트 타설이라고 하는 과정을 통해 철근 콘크리트 플러그를 물 아래에 배치할 수 있다. 케이슨에서 물을 제거하면 이 플러그는 말뚝 캡 역할을 하여 하부 토양의 상향력에 저항한다.

3. 1. 거치 방법

• 축도식: 시트 파일을 이용해 물막이를 하고 가운데에 작은 섬을 만든 후, 그 위에 케이슨을 놓고 가라앉혀 설치한다.
• 발판식(비계식): 비계를 설치하고 그곳에서 케이슨을 만들어 설치한다.
• 예항식: 육상에서 제작한 케이슨을 배를 이용해 끌고 와서 설치한다.

• 하중 지지 벽: 하중을 더 깊은 토양으로 전달한다.
• 앵커: 표면과 말뚝을 박은 주변 토양 사이의 마찰로 인해 부력을 저항한다.

3. 2. 침하 조건

• W : 케이슨 수직하중(자중, 재하중) (t)
• F : 총 주면마찰력(t)
• Q : 케이슨 선단부 지지력(t)
• B : 부력(t)

3. 3. 단점

• 굴착 시 히빙(Heaving, 흙이 부풀어 오르는 현상)이나 보일링(Boiling, 흙이 액체처럼 되는 현상)이 발생할 우려가 있다.^[1]
• 바닥면 콘크리트 양생이 불충분하게 될 우려가 있다.^[1]
• 케이슨이 경사질 우려가 있다.^[1]
• 전석층(큰 돌이 있는 지층)이 있을 때 침하가 지연될 수 있다.^[1]
• 하부 토양이 굴착이나 지지력에 적합하지 않을 수 있다.
• 케이슨의 물을 제거하면 바닥이 "파이핑"되거나 "비등"될 수 있으며, 케이슨이 침하될 수 있다.

3. 4. 편위

• 파랑, 유수에 의한 수평 하중이 작용하는 경우
• 호박돌, 전석층이 존재하는 경우
• 재하중이 불균등하게 분포하는 경우
• 지층이 경사진 경우

4. 공기 케이슨의 침하 조건

다음 식을 만족하면 공기 케이슨을 침하시킬 수 있다.

$W\; >\; U\; +\; F\; +\; Q\; +\; B$

• W : 케이슨 수직하중(자중+재하중)
• U : 작업공기에 의한 양압력
• F : 총 주면마찰력
• Q : 선단지지력
• B : 부력

5. 적용 기술

케이슨 제작에는 현대건설이 개발한 공장형 슬립폼 공법과 콘크리트 온도 균열 저감 양생 공법 등이 적용된다. 공장형 슬립폼 공법은 케이슨을 효율적으로 생산할 수 있게 해주며, 콘크리트 온도 균열 저감 양생 공법은 대형 구조물의 균열을 방지한다.^[15][16]

5. 1. 공장형 슬립폼 공법

5. 2. 콘크리트 온도 균열 저감 양생 공법

6. 시공 사례

케이슨은 항만이나 해양 공사에서 파랑이나 조류 조건이 까다롭거나, 해저의 지지층이 얕은 경우에 자주 사용되는 공법이다. 케이슨을 해저에 설치하여 방파제나 교량의 기초로 사용하거나, 연속적으로 설치하여 해저 터널을 만들기도 한다. 바다에서 사용하는 케이슨은 육상 공사의 케이슨과 구별하기 위해 '''설치 케이슨'''이라고 부른다^[10]。

육상 공사에서는 오픈 케이슨 공법과 뉴매틱 케이슨 공법(잠함 공법)이 사용된다. 오픈 케이슨 공법은 지상에서 만든 케이슨 본체 내부를 굴착하면서 침하시키는 방식이고, 뉴매틱 케이슨 공법은 본체 하부에 작업실을 설치하고 압축 공기를 넣어 물이나 흙이 들어오는 것을 막으면서 굴착하는 방식이다^[12]。

케이슨을 이용한 기초 구조물은 강성이 크고 변위가 작으며, 수평 저항력과 수직 지지력을 모두 크게 기대할 수 있다는 특징이 있다^[13]。 또한 케이슨 기초의 빈 공간은 완성 후 지하 구조물로 이용할 수 있다.

육상에서의 케이슨은 전후 얼마 동안 시공 사례가 많았지만, 말뚝 기초 공법이 발달하면서 점차 사용되지 않게 되었다. 그러나 항만・해양 공사나 침매 터널 등의 건설 현장에서는 케이슨 공법이 여전히 필수적이다.

6. 1. 국내 주요 항만

6. 2. 해외 주요 항만

7. 안전 문제 및 산업 재해

얕은 케이슨은 공기에 개방될 수 있지만, 부드러운 진흙을 관통하는 '''공압 케이슨'''(때로는 '''가압 케이슨'''이라고도 함)은 상단이 밀봉되고 압축 공기로 채워져 깊이에서 물과 진흙을 막는 바닥이 없는 상자이다. 에어록은 챔버에 접근할 수 있도록 한다. 샌드호그라고 불리는 작업자들은 작업 공간 가장자리에서 물이 채워진 구덩이로 진흙과 암석 파편(''muck''라고 함)을 이동시키며, 튜브(''muck tube''라고 함)를 통해 표면과 연결된다. 표면의 크레인은 클램셸 버킷으로 토양을 제거한다. 튜브의 수압은 공기압과 균형을 이루며, 과도한 공기는 흙 튜브를 통해 빠져나간다. 가압된 공기 흐름은 작업자를 위한 정기적인 공기 교환을 보장하고 케이슨 기저부에서 진흙이나 물의 과도한 유입을 방지하기 위해 일정해야 한다. 케이슨이 기반암에 닿으면 샌드호그는 에어록을 통해 나가 상자를 콘크리트로 채워 단단한 기초 교각을 형성한다.^[6]

공압(압축 공기) 케이슨은 콘크리트를 배치하는 데 더 나은 건조한 작업 조건을 제공하는 장점이 있다. 또한 다른 방법으로 인접 구조물의 침하를 일으킬 수 있는 기초에도 적합하다.

압축 공기 작업의 가압된 환경을 떠나는 건설 작업자는 감압을 해야 한다. 그래야 처음 케이슨 작업자에게서 확인되었고 직업적 위험을 인식하여 원래 "케이슨병"으로 명명된 감압병을 피할 수 있으며, 신체 조직에 용해된 불활성 가스의 증상 없는 방출을 허용하는 속도로 감압해야 한다. 가압 케이슨의 도움으로 건설된 브루클린 다리 건설은 건설 중에 케이슨병으로 인해 수많은 작업자가 사망하거나 영구적인 부상을 입는 결과를 낳았다.^[7] 귀, 부비동 및 폐의 기압 외상과 이형성 골괴사도 다른 위험 요소이다.^[8]

과거에는 기술과 안전 관리가 미숙했기 때문에, 케이슨의 기압이 빠지는 등의 사고로 내부 작업자가 익사하는 사고나 산업 재해가 여러 번 발생했다. 1969년 4월에는 도쿄도 아라카와 방수로 공사 현장에서 9명, 같은 해 11월에는 오사카부 시리나시강 공사 현장에서 7명이 사망하는 사고가 발생했다.^[14]

참조

_[1] 서적 "Knight's American mechanical dictionary A description of tools, instruments, machines, processes, and engineering; history of inventions; general technological vocabulary; and digest of mechanical appliances in science and the arts" https://babel.hathit[...] Houghton, Osgood and Co. 1880
_[2] 서적 The caisson as a new element in concrete dam construction; a proposal made in connection with the Columbia River Power Project https://babel.hathit[...] "Spon & Chamberlain" 1916
_[3] 서적 An outline of ship building, theoretical and practical https://babel.hathit[...] "J. Wiley & son" 1873
_[4] 웹사이트 The History of Caisson Drilling https://www.foundati[...] 2016-03-02
_[5] 서적 Advanced construction technology Longman 1999
_[6] 서적 Greater Gotham: A History of New York City from 1898 to 1919 https://books.google[...] Oxford University Press 2018
_[7] 간행물 Caisson disease during the construction of the Eads and Brooklyn Bridges: A review http://archive.rubic[...] 2004
_[8] 서적 Encyclopaedia of occupational health and safety International Labor Office 1998
_[9] 웹사이트 The story of the Mulberry harbours http://www.arromanch[...] Musée de Débarquement
_[10] 간행물 設置ケーソン工法 https://doi.org/10.3[...] 1984
_[11] 웹사이트 ZONE03 橋の建設（下部工） http://www.hashinoka[...] 橋の科学館 2020-04-15
_[12] 웹사이트 じめんの中の壁もいろいろ（後編) - やわらかサイエンス｜地層科学研究所 https://www.geolab.j[...] 2020-04-15
_[13] 웹사이트 ニューマチックケーソン > 工法の概要 https://www.orsc.co.[...] オリエンタル白石株式会社 2020-04-15
_[14] 뉴스 またも人柱、都会の季節労働者 泥の底から「助けて」 正月帰郷を前に七人 『朝日新聞』 1969-11-26
_[15] 웹인용 바다 위 건축' 혁신 이끄는 현대건설 https://www.hankyung[...] 2023-04-18
_[16] 웹인용 해상공사의 강자 '현대'…기술력+인프라 원톱 https://news.mt.co.k[...] 2019-11-15
_[17] 웹인용 현대건설, 싱가포르 투아스 핑거3 매립공사 진수식 진행 http://www.m-i.kr/ne[...] 2019-07-07