제117회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제117회 토목시공기술사 1교시 참고답안

1. 터널의 편평율

1. 개요

터널의 편평율(Flattening Ratio)은 터널 단면의 높이와 폭의 비율을 나타내는 지표로, 터널의 구조적 안정성을 평가하는 데 사용됩니다. 일반적으로 편평율은 (터널 높이 / 터널 폭)으로 계산되며, 이 값에 따라 터널에 작용하는 응력 분포와 변형 거동이 달라집니다.

2. 편평율에 따른 특징

• 편평율 < 1.0 (편평한 아치): 수직 토압에 대해서는 유리하나, 측압에 대해서는 불리하여 측벽부에 큰 휨모멘트가 발생할 수 있음.
• 편평율 = 1.0 (원형): 모든 방향의 토압에 대해 축력으로 저항하므로 구조적으로 가장 안정적. (TBM 터널 등)
• 편평율 > 1.0 (수직 타원형): 측압에 대해서는 유리하나, 수직 토압에 대해서는 불리할 수 있음.

3. 공학적 중요성

터널 설계 시 지반 조건(토압계수 등)을 고려하여 최적의 편평율을 결정해야 합니다. 부적절한 편평율은 라이닝에 과도한 휨모멘트를 유발하여 균열이나 파괴의 원인이 될 수 있습니다. 시공 중 계측을 통해 터널의 내공변위를 측정하고, 이를 통해 편평율의 변화를 관리하여 터널의 안정성을 평가합니다.

2. Arch교의 Lowering공법

1. 개요

Lowering 공법은 아치 교량을 가설하는 방법 중 하나로, 깊은 계곡이나 하천과 같이 하부에서부터 동바리(Falsework)를 설치하기 어려운 지형 조건에서 주로 사용됩니다. 아치리브(Arch Rib)를 양측에서 각각 제작한 후, 이를 케이블 등으로 지지하면서 서서히 내려(Lowering) 중앙부에서 최종적으로 연결(Keying in)하는 공법입니다.

2. 시공 순서

1. 양측 교대 후방에 아치리브 제작 및 임시 힌지 설치.
2. 주탑(Pylon)을 세우고 케이블을 설치하여 아치리브를 지지.
3. 케이블의 길이를 조절하며 양측 아치리브를 서서히 내림 (Lowering).
4. 중앙부(Crown)에서 아치리브를 정밀하게 맞추어 연결 (Key Segment 타설).
5. 아치리브 상부에 수직 부재(Spandrel) 및 바닥판을 시공.
6. 임시 주탑 및 케이블 철거.

3. 특징

• 장점: 하부 지형의 제약 없이 시공 가능, 동바리가 불필요하여 경제적, 환경 훼손 최소화.
• 단점: Lowering 과정에서 정밀한 측량 및 제어 기술 요구, 바람 등 기상 조건에 영향 받음.

3. 민간투자사업의 추진방식

1. 개요

민간투자사업(Public-Private Partnership, PPP)은 도로, 항만, 철도 등 사회기반시설 건설에 민간의 자본과 기술을 도입하여 효율성을 높이고, 정부의 재정 부담을 완화하기 위한 사업 방식입니다. 사업 시행 주체, 소유권 이전 시기, 운영 방식 등에 따라 다양하게 분류됩니다.

2. 주요 추진방식

방식	명칭	개념	주요 적용 분야
BTO (Build-Transfer-Operate)	수익형 민자사업	민간이 시설을 건설(Build)하고, 완공 후 소유권을 정부에 이전(Transfer)하는 대신, 일정 기간 운영권(Operate)을 가지고 사용자(국민)로부터 요금을 받아 투자비를 회수.	도로, 항만, 철도 등 (수익 창출 가능 시설)
BTL (Build-Transfer-Lease)	임대형 민자사업	민간이 시설을 건설(Build)하고, 소유권을 정부에 이전(Transfer)한 후, 정부에 시설을 임대(Lease)하여 약정된 기간 동안 임대료를 받아 투자비를 회수.	학교, 군관사, 하수관거 등 (수익 창출 어려운 공공시설)
BOT (Build-Operate-Transfer)	-	민간이 시설을 건설(Build)하고, 일정 기간 직접 운영(Operate)하여 투자비를 회수한 후, 기간 만료 시 소유권을 정부에 이전(Transfer). (BTO와 유사하나 소유권 이전 시점이 다름)	사회간접자본 전반

4. 통수능(discharge capacity)

1. 개요

통수능은 하천, 수로, 관로 등 물이 흐르는 단면이 안전하게 통과시킬 수 있는 최대 유량을 의미합니다. 이는 해당 수리시설의 설계 및 평가에서 가장 기본적인 지표로, 통수능이 부족할 경우 월류(Overflow)가 발생하여 홍수 피해의 원인이 됩니다.

2. 산정 방법 (Manning 공식)

일반적으로 개수로의 통수능(Q)은 Manning 공식을 이용하여 산정합니다.

Q = A × V = A × (1/n) × R^(2/3) × S^(1/2)

• Q: 유량 (m³/s)
• A: 흐름의 단면적 (m²)
• V: 평균 유속 (m/s)
• n: 조도계수 (하천 바닥 및 벽면의 거친 정도)
• R: 경심 (단면적 A / 윤변 P)
• S: 동수경사 (수로의 기울기)

3. 통수능 부족 시 문제점 및 대책

• 문제점: 제방 월류, 내수배제 불량으로 인한 도시 침수, 교량 세굴 및 유실.
• 대책:
  • 단면적(A) 증대: 하천 폭 확장, 준설을 통한 수심 확보.
  • 조도계수(n) 감소: 하도 정리, 호안 정비를 통해 물의 흐름 저항 감소.
  • 경사(S) 증대: 하천 직강화 (환경 문제 고려 필요).

5. 부마찰력(Negative Skin Friction)

1. 개요

부마찰력(부주면마찰력)은 말뚝 주변의 지반이 압밀 침하 등으로 인해 말뚝보다 더 많이 내려앉을 때, 말뚝 주면에 하향으로 작용하여 말뚝을 아래로 끌어내리는 마찰력을 말합니다. 이는 말뚝의 지지력을 감소시키는 추가 하중으로 작용하여 기초의 안정성에 문제를 일으킬 수 있습니다.

2. 발생 원인 및 문제점

• 발생 원인:
  • 압밀이 진행 중인 연약 점성토층을 말뚝이 관통하는 경우.
  • 연약지반 위에 성토를 하여 압밀 침하를 가속시키는 경우.
  • 주변의 대규모 굴착 등으로 지하수위가 저하되어 지반이 침하하는 경우.
• 문제점:
  • 지지력 감소: 주면마찰력이 지지력이 아닌 하중으로 작용하여 말뚝의 허용지지력이 감소.
  • 과다 침하: 추가 하중으로 인해 말뚝 및 상부 구조물의 침하량이 증가.

3. 저감대책

구분	대책 공법
마찰력 저감	- 역청재(Bitumen) 도포: 말뚝 표면에 아스팔트를 코팅하여 마찰력을 감소.
	- 이중관(Sleeve) 공법: 말뚝 주변에 외관을 설치하여 직접적인 접촉을 차단.
지반 침하 억제	- 지반개량공법 선행: 말뚝 시공 전, 연직배수공법 등으로 지반의 압밀 침하를 사전에 완료.

6. 관로의 수압시험

1. 개요

수압시험은 상수도관, 하수관 등 압력 관로를 매설한 후, 관로의 이음부 등이 수밀(Watertight)하게 시공되었는지, 그리고 규정된 압력에 변형이나 파손 없이 견디는지를 확인하기 위해 실시하는 품질 검사입니다. 일반적으로 되메우기 전에 실시하여 불량 구간을 쉽게 찾아 보수할 수 있도록 합니다.

2. 시험 절차

1. 시험 구간의 관로 양단을 막고, 공기 빼기 밸브와 압력계, 급수관을 설치.
2. 관로에 물을 서서히 채우면서 내부 공기를 완전히 배출.
3. 규정된 시험 압력(일반적으로 최대사용수압의 1.5배)까지 가압펌프로 서서히 가압.
4. 규정된 시간(1시간 이상) 동안 압력을 유지하면서 압력 강하 여부와 누수 여부를 육안으로 확인.
5. 압력이 강하할 경우, 허용 누수량 이내인지 확인.

3. 합격 기준

시험 압력을 유지하는 동안 압력 강하가 거의 없거나, 누수량이 허용 누수량 이하일 경우 합격으로 판정합니다. 허용 누수량은 관경, 관 길이, 시험 압력 등을 고려하여 산정합니다.

4. 유의사항

• 시험 구간의 길이는 500m 내외가 적당.
• 곡관부 등에는 수압에 의한 관의 이탈을 방지하기 위한 보호공(콘크리트 버팀목 등)을 설치.
• 겨울철에는 동파에 유의하고, 시험 후 물을 완전히 배출.

7. 건설공사의 사후평가

1. 개요

건설공사 사후평가는 총 공사비가 500억원 이상인 대규모 공사가 완료된 후에, 그 시행 과정과 결과를 종합적으로 평가하여 향후 유사 사업에 교훈(Lessons Learned)을 환류(Feedback)하기 위한 제도입니다. 이는 사업의 효율성, 성과, 사회적·환경적 영향 등을 체계적으로 분석하여 건설 정책 및 기술 발전에 기여하는 것을 목적으로 합니다.

관련 법규

건설기술 진흥법 제51조(건설공사 사후평가)에서 사후평가의 대상, 주체, 절차 등에 대해 규정하고 있습니다. 발주청은 준공 후 5년 이내에 사후평가를 실시하고, 그 결과를 국토교통부 장관에게 제출해야 합니다.

2. 주요 평가 항목

평가 분야	주요 평가 항목
사업의 효율성	- 공사비 집행의 적정성 (예산 대비 실적) - 공사기간 준수 여부 (공정 관리의 적정성)
시설물 품질	- 구조물의 안전성, 내구성, 기능성 - 시공 품질의 적정성
파급 효과	- 경제적 효과 (물류비 절감, 지역경제 활성화 등) - 사회·환경적 효과 (주민 편익, 환경 영향 등)
기술 수준	- 신기술, 신공법 적용의 타당성 및 효과

3. 결론

사후평가는 과거의 성공과 실패 경험을 체계적으로 자산화하여, 미래의 시행착오를 줄이고 보다 나은 건설 프로젝트를 수행하기 위한 중요한 과정입니다. 형식적인 평가에 그치지 않고, 평가 결과가 실제 다음 사업의 계획 및 설계에 실질적으로 환류될 수 있는 시스템을 구축하는 것이 중요합니다.

8. 스트레스 리본 교량(Stress Ribbon Bridge)

1. 개요

스트레스 리본 교량은 현수교와 유사하게 케이블의 인장력을 이용하는 교량 형식으로, 주케이블(인장재) 위에 얇은 콘크리트 바닥판을 직접 타설하여 교량 자체가 하나의 팽팽한 리본(Ribbon)처럼 거동하는 구조입니다. 바닥판이 인장력을 받는 주케이블의 일부가 되면서 동시에 보행로나 차도의 역할을 수행합니다.

2. 구조적 특징

• 매우 얇고 미려한 외관: 교량 상판의 두께가 매우 얇아 미학적으로 우수하고 주변 경관과 조화로움.
• 큰 수평력: 케이블의 인장력으로 인해 교대(Abutment)에 매우 큰 수평력이 작용하므로, 견고한 암반 등 양호한 지지 지반이 필수적.
• 처짐 및 진동: 매우 유연한 구조로, 처짐과 진동에 대한 사용성 검토가 중요.
• 시공성: 케이블을 가설한 후 그 위에서 상판을 시공하므로, 깊은 계곡 등 동바리 설치가 어려운 곳에 유리.

3. 적용

주로 보행자용 육교나 자전거 도로, 공원 내 교량 등 미관이 중요하고 활하중이 비교적 작은 곳에 적용됩니다. 지반이 견고한 계곡이나 하천을 횡단하는 경우에 구조적, 경제적으로 유리합니다.

9. 준설선의 종류 및 특징

1. 개요

준설선은 항만, 하천, 운하 등의 수심을 확보하거나 수저의 토사를 채취하여 매립지로 운반하기 위해 사용되는 선박입니다. 준설 방식과 토사 운반 방식에 따라 다양한 종류로 나뉘며, 현장 조건과 공사 목적에 맞는 선종 선택이 중요합니다.

2. 종류 및 특징

구분	종류	특징 및 주요 용도
기계식	그래브(Grab) 준설선	- 크레인에 그래브 버킷을 장착하여 수저 토사 채취. - 점성토, 모래, 자갈 등 다양한 토질에 적용 가능. - 소규모, 협소한 장소, 장애물 부근 작업에 유리.
	디퍼(Dipper) 준설선	- 파워 쇼벨과 같은 구조로 단단한 토사나 연암 굴착. - 굴착력이 매우 강함.
펌프식 (유압식)	펌프(Pump) 준설선	- 흡입관과 펌프를 이용하여 토사를 물과 함께 흡입하여 장거리 배송관으로 직접 송토. - 연약한 사질토, 실트 지반에 효율적. (대규모 매립)
	커터 석션 준설선	- 흡입관 전단에 회전식 커터를 장착하여 다소 단단한 지반도 절삭하며 준설. (가장 널리 사용)
	호퍼(Hopper) 준설선	- 이동하면서 준설토를 선내 호퍼(저장고)에 저장 후, 운반하여 투기. - 기동성이 우수하여 외해 작업에 적합. (항로 유지준설)

10. 터널변상의 원인

1. 개요

터널변상(Deformation)은 터널 굴착 후 주변 지반의 응력 해방과 재분배 과정에서 발생하는 터널 단면의 변형을 총칭하는 말입니다. 적절한 범위 내의 변위는 자연스러운 현상이지만, 과도한 변상은 지보재의 파손, 라이닝 균열, 심하면 붕락까지 유발할 수 있어 철저한 원인 분석과 관리가 필요합니다.

2. 주요 원인

구분	주요 원인
설계상 원인	- 지반조사 미흡으로 인한 지질 조건 오판. - 지반 조건에 부적합한 지보 패턴(숏크리트 두께, 록볼트 길이/간격 등) 설계.
지질학적 원인	- 단층 파쇄대, 연약대 등 예기치 못한 불량 지반 조우. - 팽창성 또는 측압이 매우 큰 암반. - 과도한 지하수 유출.
시공상 원인	- 과대 굴착(여굴): 설계 단면보다 과도하게 굴착하여 주변 지반 이완 증대. - 지보재 시공 지연: 굴착 후 숏크리트, 록볼트 설치가 늦어져 초기 변위 제어 실패. - 부적절한 발파: 과다한 장약량 사용으로 주변 암반 손상. - 인버트 조기폐합 실패: 지반이 나쁜 구간에서 인버트 시공이 늦어져 측벽 변위 증가.

11. 히빙(Heaving)과 보일링 (Boiling)

1. 개요

히빙과 보일링은 흙막이 공사 시 굴착 저면의 안정성과 관련된 대표적인 파괴 현상입니다. 두 현상 모두 굴착 저면이 부풀어 오르는 형태로 나타나지만, 발생 원인과 대상 지반이 명확히 다르므로 구별하여 대책을 수립해야 합니다.

2. 비교

구분	히빙 (Heaving)	보일링 (Boiling)
발생 지반	연약한 점성토 지반	포화된 사질토 지반
발생 원인	흙막이벽 배면의 토사 중량이 굴착 저면 하부 점토의 전단강도보다 커서 발생. (강도 문제)	상향 침투 수압이 흙의 수중 단위중량보다 커져, 유효응력이 '0'이 되면서 흙입자가 물과 함께 솟아오름. (침투수 문제, Quick Sand)
파괴 형태	굴착 저면 중앙부가 넓게 융기.	굴착 저면 일부에서 물과 모래가 부글부글 끓어오름.
주요 대책	- 굴착 저면 하부 지반개량(DCM 등) - 흙막이벽 근입장 증대 - Island Cut 공법 적용	- 지하수위 저하(De-watering) - 흙막이벽 근입장 증대(차수) - 굴착 저면에 하중 재하(Surcharge)

12. 교량 내진성능향상 방법

1. 개요

교량의 내진성능향상(Seismic Retrofit)은 기존에 건설된 교량이 현재의 강화된 내진설계기준을 만족하지 못할 경우, 지진에 대해 요구되는 안전성을 확보하기 위해 실시하는 보수·보강 공사를 말합니다. 이는 지진 시 교량의 붕괴를 막고, 사회 기간망으로서의 기능을 유지하기 위한 중요한 방재 활동입니다.

2. 주요 향상 방법

구분	공법	내용
상부구조 낙교 방지	받침 교체 (면진받침)	일반 받침을 지진격리받침(LRB 등)으로 교체하여 지진력을 저감. (면진보강)
	낙교방지장치 설치	상부구조와 하부구조를 강재 케이블 등으로 연결(Restrainer)하여 과도한 상대 변위로 인한 낙교를 방지.
하부구조 (교각) 보강	단면증설 (Jacket)	기존 교각의 단면을 철근콘크리트나 강판으로 감싸서 휨강도와 연성능력을 향상.
	섬유 보강 (FRP)	탄소섬유시트 등을 교각에 감아 연성능력을 증진.
기초 보강	마이크로파일, 지반개량	기초의 지지력을 보강하거나, 액상화 방지를 위해 주변 지반을 개량.

13. 포러스 콘크리트(Porous Concrete)

1. 개요

포러스 콘크리트(다공성 콘크리트)는 잔골재를 거의 사용하지 않고, 굵은골재와 시멘트 페이스트만으로 만들어 내부에 연속적인 공극(15~30%)을 가지도록 한 특수 콘크리트입니다. 이 연속 공극을 통해 물이나 공기가 쉽게 투과할 수 있는 것이 가장 큰 특징입니다.

2. 특성 및 용도

• 투수성/배수성: 빗물을 땅속으로 침투시키는 투수성 포장재로 사용하여 도시 홍수 및 열섬 현상 완화.
• 저소음성: 자동차 주행 시 타이어 소음을 공극이 흡수하여 도로 소음 저감.
• 경량성: 내부 공극으로 인해 밀도가 낮아 경량.
• 식생기능: 공극에 흙을 채워 식물이 자랄 수 있는 환경 제공 (식생 블록, 인공어초).
• 정화기능: 공극에 서식하는 미생물을 이용하여 수질 정화.

3. 단점 및 유의사항

• 낮은 강도: 공극이 많아 일반 콘크리트에 비해 압축강도가 현저히 낮음. (구조용으로 부적합)
• 공극 막힘(Clogging): 투수성 포장으로 사용 시, 토사나 이물질로 공극이 막혀 기능이 저하될 수 있음.
• 동결융해 저항성: 공극 내의 수분이 동결과 융해를 반복하면서 파손될 우려.

4. 결론

포러스 콘크리트는 기존 콘크리트의 단점을 보완하여 투수, 저소음, 식생 등 다양한 친환경 기능을 구현할 수 있는 우수한 재료입니다. 강도가 낮은 단점을 보완하기 위한 연구가 계속되고 있으며, 특히 저영향개발(LID) 기법의 핵심적인 요소로서 그 활용성이 더욱 확대될 것으로 기대됩니다.