제104회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제104회 토목시공기술사 1교시 참고답안

1. 터널 미기압파 (Micro Pressure Wave)

Ⅰ. 정의

터널 미기압파는 고속열차가 터널에 진입할 때, 열차 전면에서 발생한 압축파가 터널 내 공기를 압축시키며 음속으로 전파되다가, 터널 출구에서 급격히 개방되면서 외부로 방사되는 충격성 소음을 말합니다. '터널 붐(Tunnel Boom)'이라고도 하며, 출구 주변에 소음과 진동 피해를 유발할 수 있습니다. 🚆

Ⅱ. 발생 메커니즘

1. 압축파 생성: 고속열차가 터널에 진입 시, 피스톤 효과(Piston Effect)에 의해 열차 전방에 압축파가 생성됩니다.
2. 압축파 전파: 이 압축파는 터널 내에서 압력 구배가 점차 가팔라지며 터널을 음속으로 달려 나갑니다.
3. 미기압파 방사: 터널 출구에 도달한 압축파가 외부 대기로 급격히 방출되면서 '쾅'하는 폭발음 형태의 충격파(미기압파)로 변환됩니다.

Ⅲ. 저감 대책

• 열차 측 대책: 열차의 선두부 형상을 공기 저항이 적은 유선형으로 설계하여 초기 압축파의 크기를 줄입니다.
• 터널 측 대책:
  • 터널 입구부 개선: 터널 입구에 경사를 두거나 후드(Hood)를 설치하여 열차 진입 시 압력 변화를 완만하게 만듭니다.
  • 터널 출구부 개선: 터널 출구 단면적을 점차 넓히거나(나팔관 형태), 측면에 다수의 구멍(슬릿)을 낸 완충공(후드)을 설치하여 압축파의 압력 구배를 완화시킨 후 방출합니다.
  • 터널 단면적 확대: 터널의 단면적을 키워 압축파의 크기 자체를 줄입니다. (가장 효과적이나 비경제적)

2. Shield TBM 굴진 시의 체적손실 (Volume Loss)

Ⅰ. 정의

체적손실은 쉴드 TBM(Shield Tunnel Boring Machine)이 터널을 굴착하고 전진할 때, 이론적인 굴착 체적과 실제 배출된 토사량의 차이, 또는 굴착으로 인해 주변 지반이 터널 내부로 변위되어 발생하는 지반의 전체적인 체적 감소량을 의미합니다. 이는 지표면 침하를 유발하는 직접적인 원인이 됩니다.

Ⅱ. 발생 원인

체적손실은 쉴드 TBM의 굴진 단계별로 여러 요인에 의해 복합적으로 발생합니다.

• 막장면(Face) 손실: 커터헤드 전면에서 굴착면의 안정을 위해 가하는 압력(토압, 이수압)이 실제 토압보다 작을 경우, 막장면이 터널 내부로 밀려 들어오면서 발생합니다.
• 쉴드 통과 시 손실: 쉴드 스킨플레이트와 지반 사이의 마찰력, 쉴드의 방향 전환(조향) 등으로 인해 주변 지반이 교란되면서 발생합니다.
• 테일 보이드(Tail Void) 손실: 쉴드가 전진한 후 세그먼트(터널 벽체)가 조립되기까지 쉴드 꼬리 부분과 세그먼트 외면 사이에 생기는 공간(테일 보이드)으로 지반이 이완되면서 발생합니다. 체적손실의 가장 주된 원인입니다.

Ⅲ. 저감 대책

• 막장압 관리: 지반 조건에 맞는 적절한 막장 지지압을 유지하여 막장면의 변위를 최소화합니다.
• 동시 뒤채움 주입 (Contemporaneous Grouting): 쉴드가 전진하는 즉시 테일 보이드에 뒤채움재(그라우트)를 신속하고 균일하게 주입하여 지반의 이완을 억제합니다. (가장 효과적인 대책)
• 굴진 관리: 급격한 방향 전환을 지양하고, 굴진 속도를 적절히 제어하여 주변 지반 교란을 최소화합니다.

3. 입도분포곡선 (Particle Size Distribution Curve)

Ⅰ. 정의

입도분포곡선은 흙 시료에 대한 체분석(Coarse-grained soil) 및 비중계분석(Fine-grained soil) 결과를 바탕으로, 흙을 구성하는 입자들의 크기별 중량 백분율 분포를 그래프로 나타낸 것입니다. 가로축은 입자의 크기(로그 눈금), 세로축은 해당 입경보다 작은 입자들의 누적 중량 백분율(가적 통과율)을 나타냅니다.

[Image of Particle size distribution curve]

Ⅱ. 곡선으로부터 알 수 있는 정보

입도분포곡선의 형태로부터 흙의 공학적 특성을 정성적으로 판단할 수 있습니다.

• 입도분포 상태:
  • 양호한 입도 (Well-graded): 곡선이 완만하고 넓게 분포. 크고 작은 입자가 골고루 섞여 있어 다짐 효율이 높고 강도가 큽니다. (예: GW, SW)
  • 불량한 입도 (Poorly-graded): 곡선의 기울기가 급함. 특정 크기의 입자만 많아 공극이 크고 투수성이 높습니다. (예: GP, SP)
  • 균일한 입도 (Uniformly-graded): 불량한 입도의 한 종류로, 거의 동일한 크기의 입자로 구성됩니다.
  • 불연속 입도 (Gap-graded): 곡선이 수평에 가까운 구간을 가짐. 중간 크기의 입자가 없는 흙입니다.
• 유효입경(D10), 균등계수(Cu), 곡률계수(Cg): 곡선에서 가적통과율 10%, 30%, 60%에 해당하는 입경(D10, D30, D60)을 읽어 흙의 입도분포를 정량적으로 평가하는 지수인 균등계수와 곡률계수를 계산할 수 있습니다.

Ⅲ. 공학적 활용

흙의 분류(통일분류법), 다짐 특성 예측, 필터 재료의 적합성 판단, 동상(Frost heave) 가능성 예측 등 다양한 토질공학 분야의 기초 자료로 활용됩니다.

4. 연약지반의 계측

Ⅰ. 정의

연약지반 계측은 성토 등 하중 재하에 따른 연약지반의 거동(침하, 수평 변위, 간극수압 변화 등)을 시공 중 및 시공 후에 지속적으로 측정하고 분석하는 관리 기법을 말합니다. 이는 설계 단계의 예측과 실제 거동을 비교하여 시공의 안정성을 확보하고, 효율적인 공사 관리를 수행하기 위해 필수적입니다.

Ⅱ. 계측의 목적

• 안정 관리: 지반의 변위 속도나 과잉간극수압을 모니터링하여 파괴 징후를 사전에 감지하고, 성토 속도를 조절하는 등 안정성을 확보합니다.
• 설계의 타당성 검증: 실제 계측 결과를 설계 시 예측값과 비교하여 설계 정수의 타당성을 검증하고, 필요시 공법을 수정, 보완합니다.
• 공기 및 공사비 관리: 압밀 진행 정도를 파악하여 잔류 침하량을 예측하고, 목표 침하량 도달 시 다음 공정을 진행하는 등 공사 기간을 최적화합니다.
• 정보화 시공: 계측 데이터를 축적하여 향후 유사 공사의 설계 및 시공을 위한 귀중한 자료로 활용합니다.

Ⅲ. 주요 계측 항목 및 계측기기

계측 항목	주요 계측기기	관리 목적
연직 침하	지표 침하판, 층별 침하계	전체 침하량, 압밀 진행 정도, 잔류 침하량 예측
수평 변위	지중 경사계, 변위 말뚝	성토체 및 기초 지반의 활동 파괴 등 안정성 평가
간극수압	간극수압계	과잉간극수압 소산 정도 파악, 압밀도 산정, 안정 관리
성토체 법면 변위	지표 변위계	성토체 자체의 안정성 평가

5. 교량 신축이음장치 (Expansion Joint)

Ⅰ. 정의

신축이음장치는 교량의 상부구조물이 온도변화, 건조수축, 크리프, 활하중 등에 의해 발생하는 신축(伸縮) 및 변위를 원활하게 수용하고, 교량 끝부분(유간)을 연결하여 차량이 안전하고 원활하게 통행할 수 있도록 설치하는 장치입니다. 🌉

Ⅱ. 기능 및 요구 성능

• 기능:
  • 상부구조의 신축 변위를 원활하게 수용하여 2차 응력 발생을 방지합니다.
  • 교량 끝단부의 불연속부를 연결하여 평탄한 주행면을 제공합니다.
  • 빗물이나 이물질이 하부 구조로 유입되는 것을 방지합니다(방수 기능).
• 요구 성능:
  • 주행성: 차량 통행 시 소음, 진동, 충격이 적어야 합니다.
  • 내구성: 반복적인 교통하중에 의한 피로와 마모에 강해야 합니다.
  • 수밀성: 빗물이나 제설용 염수가 하부로 누수되지 않도록 방수 성능이 우수해야 합니다.
  • 유지관리성: 점검, 보수 및 교체가 용이해야 합니다.

Ⅲ. 종류

신축량의 크기에 따라 다양한 종류가 있으며, 대표적인 것은 다음과 같습니다.

• 소신축 (신축량 50mm 이하): 고무 조인트, 신축 조인트
• 중신축 (신축량 50~200mm): 핑거 조인트(Finger Joint), 모듈러 조인트(Modular Joint)
• 대신축 (신축량 200mm 이상): 모듈러 조인트, 레일 조인트(Rail Joint)

6. 터널 막장의 주향과 경사

Ⅰ. 정의

터널 공사에서 주향(Strike)과 경사(Dip)는 터널의 안정성에 큰 영향을 미치는 암반 내 불연속면(절리, 단층 등)의 방향성을 나타내는 중요한 지질학적 요소입니다.

• 주향 (Strike): 불연속면과 수평면이 만나서 이루는 교선(交線)의 방향을 말하며, 진북을 기준으로 시계방향 또는 반시계방향의 각도로 표시합니다. (예: N30°E)
• 경사 (Dip): 불연속면이 수평면과 이루는 최대 각도를 말하며, 주향선에 직각 방향으로 측정합니다. (예: 60°NW)

Ⅱ. 터널 안정성에 미치는 영향

터널의 굴착 방향과 불연속면의 주향/경사 관계는 터널의 안정성 및 파괴 형태에 결정적인 영향을 미칩니다.

• 순방향 굴착 (주향과 터널 축이 평행):
  • 편압 발생: 터널 양측의 지질 조건이 달라져 비대칭 하중(편압)이 작용할 가능성이 높습니다.
  • 쐐기 파괴: 특히 절리가 터널 안쪽으로 기울어져 있을 경우, 천장이나 측벽에서 쐐기 모양의 암괴가 탈락할 위험이 큽니다.
• 역방향 굴착 (주향과 터널 축이 평행):
  • 막장 안정성 불리: 절리가 막장면과 평행하게 발달하여 막장 자립성이 떨어지고 붕락 위험이 있습니다.
• 직교 굴착 (주향과 터널 축이 직교):
  • 가장 안정적인 굴착 조건으로 간주됩니다.

따라서 터널 노선 계획 시에는 가능한 한 암반 내 주요 절리군의 주향과 직교하는 방향으로 굴착하도록 계획하는 것이 유리합니다.

7. 스미어존 (Smear Zone)

Ⅰ. 정의

스미어존은 연약 점성토 지반에 PBD(Plastic Board Drain)와 같은 연직배수재를 타입할 때, 맨드렐(Mandrel) 관입에 의해 배수재 주변의 점토가 교란되어 원래의 지반보다 투수성이 현저히 낮아지는 영역을 말합니다. 이 현상은 점토 입자가 재배열되고 압축되면서 발생합니다.

Ⅱ. 압밀 지연에 미치는 영향

연직배수공법은 지반 내 과잉간극수를 연직배수재를 통해 상부로 신속히 배출시켜 압밀을 촉진하는 원리입니다. 그러나 스미어존이 형성되면,

• 마치 배수재 주변에 투수성이 낮은 '벽'이 생긴 것처럼 작용하여, 주변 지반의 물이 배수재로 흘러 들어가는 것을 방해합니다.
• 이는 수평 방향 압밀계수(Ch)를 감소시켜 전체적인 압밀을 지연시키는 주된 원인이 됩니다.

Ⅲ. 저감 대책

• 맨드렐 형상 최적화: 단면적이 작고 유선형인 맨드렐을 사용하여 관입 시 주변 지반의 교란을 최소화합니다.
• 정적 압입: 진동이나 충격을 가하는 대신, 정적인 하중으로 천천히 압입합니다.
• 설계 시 고려: 스미어존의 영향을 설계에 미리 반영하여 배수재의 간격을 더 좁게 설계하는 등의 보정을 합니다.

8. 돌핀 (Dolphin)

Ⅰ. 정의

돌핀은 항만에서 선박을 안전하게 접안시키거나 계류(mooring)시키기 위해 안벽(Quaywall)과 떨어진 해상에 말뚝이나 케이슨 등을 이용하여 독립적으로 설치하는 구조물을 말합니다. 주로 대형 선박을 위한 시설이나 협소한 수역에서 사용됩니다. 🚢

Ⅱ. 종류 및 기능

종류	기능	특징
계선 돌핀 (Mooring Dolphin)	선박에서 내린 밧줄(계선삭)을 묶어두어 바람이나 조류에 의해 선박이 움직이지 않도록 고정하는 역할을 합니다.	주로 선박의 인장력(수평 방향)에 저항하도록 설계됩니다.
접안 돌핀 (Berthing Dolphin)	선박이 부두에 접안할 때 발생하는 충격 에너지를 흡수하여 선박과 구조물을 보호하는 역할을 합니다.	전면에 방충재(Fender)가 설치되어 있으며, 주로 충격 하중(수평 방향)에 저항하도록 설계됩니다.
유도 돌핀 (Guiding Dolphin)	선박이 좁은 수로를 통과하거나 특정 위치에 접안하도록 유도하는 역할을 합니다.	-

Ⅲ. 구조 형식

돌핀은 말뚝식, 케이슨식, 셀룰러 블록식 등 다양한 구조로 만들어지며, 지반 조건, 선박 규모, 외력 조건 등을 고려하여 가장 적합한 형식을 선정합니다.

9. 2중합성교량 (Bridge for Double Composite Action)

Ⅰ. 정의

2중합성교량은 기존 합성교량(강거더+콘크리트 바닥판)의 개념을 확장하여, 강거더 하부 플랜지(Flange)에도 콘크리트 슬래브를 추가로 타설하고 전단연결재(Shear Connector)로 일체화시킨 교량입니다. 즉, 강거더 상부와 하부가 모두 콘크리트와 합성되어 거동하는 구조입니다.

Ⅱ. 특징 및 장점

• 부모멘트부 균열 제어: 연속교의 중간 지점부(부모멘트부)에서는 바닥판에 인장력이 발생하여 균열이 생기기 쉽습니다. 2중합성교량은 이 구간의 하부 플랜지에 콘크리트를 타설하여 압축을 받게 함으로써, 상부 바닥판의 인장 응력을 감소시켜 균열을 효과적으로 제어하고 내구성을 향상시킵니다.
• 강성 및 지지력 증대: 하부 콘크리트 슬래브가 구조적으로 기여하여 전체 단면의 강성과 지지력이 증가합니다.
• 안정성 향상: 강거더 하부 플랜지의 좌굴에 대한 저항 성능이 향상됩니다.
• 강재량 절감: 구조 효율성이 높아져 강거더에 사용되는 강재량을 절감할 수 있어 경제적입니다.

10. 바나나 곡선 (Banana Curve)

Ⅰ. 정의

바나나 곡선은 공정-공사비 통합관리에서 사용되는 S-Curve의 일종으로, 프로젝트의 공정이 가장 빠른 시점(조기 착수)에 시작될 때의 누적 비용 곡선과 가장 늦은 시점(지연 착수)에 시작될 때의 누적 비용 곡선을 함께 나타낸 것입니다. 이 두 곡선 사이의 영역이 바나나 모양과 비슷하여 '바나나 곡선'이라 불립니다.

Ⅱ. 구성 및 의미

• 조기 착수 곡선 (Early Start Curve): 모든 작업을 가장 빠른 시작 가능일(EST)에 시작했을 때의 누적 비용 곡선입니다. 일반적으로 초기에 비용 집행이 많습니다.
• 지연 착수 곡선 (Late Start Curve): 모든 작업을 가장 늦은 시작 가능일(LST)에 시작했을 때의 누적 비용 곡선입니다. 일반적으로 후반부에 비용 집행이 많습니다.
• 바나나 영역: 두 곡선 사이의 영역은 프로젝트 관리자가 실행 가능한 예산 집행 계획의 범위를 나타냅니다.

Ⅲ. 활용

바나나 곡선은 프로젝트 진행 중에 실제 집행된 누적 비용(Actual Cost) 곡선을 함께 도시하여 다음과 같이 활용합니다.

• 예산 통제: 실제 비용 곡선이 바나나 영역 상부를 벗어나면 예산 초과, 하부를 벗어나면 예산 절감 상태임을 직관적으로 파악할 수 있습니다.
• 현금 흐름 계획: 프로젝트에 필요한 자금의 투입 시기와 규모를 계획하고 관리하는 데 사용됩니다.

11. 자기수축균열 (Autogenous Shrinkage Crack)

Ⅰ. 정의

자기수축은 콘크리트가 굳는 과정(수화반응)에서 외부와의 수분 교환 없이 시멘트 입자가 물과 화학적으로 결합하면서 콘크리트 내부의 총 부피가 스스로 감소하는 현상을 말합니다. 자기수축균열은 이러한 수축이 외부 또는 내부 구속에 의해 저지될 때 발생하는 인장 응력으로 인해 생기는 균열입니다.

Ⅱ. 발생 메커니즘 및 특징

• 발생 원인: 물-결합재비(W/B)가 낮은 고강도 콘크리트에서 주로 발생합니다. 낮은 물-결합재비로 인해 수화반응에 필요한 물이 부족해지면, 콘크리트 내부의 미세 공극(겔 공극)에서 물이 소모되면서 표면장력에 의해 내부로부터 수축하는 힘이 발생합니다. (자기건조 현상)
• 특징:
  • 외부로의 수분 증발과 관계없이 발생하는 내부적인 균열입니다.
  • 주로 타설 후 수 시간에서 수 일 이내의 초기 재령에 발생합니다.
  • 균열 폭이 매우 미세하고 불규칙하게 분포하는 경향이 있습니다.

Ⅲ. 저감 대책

• 수축저감제 사용: 표면장력을 감소시키는 화학 혼화제를 사용하여 자기수축을 줄입니다.
• 팽창재 사용: 수축을 상쇄시킬 수 있는 팽창성을 가진 혼화재를 사용합니다.
• 내부 양생 (Internal Curing): 경량골재와 같이 내부에 물을 함유한 재료를 사용하여 수화반응에 필요한 수분을 내부적으로 공급합니다.

12. 유리섬유폴리머보강근 (GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymer Bar)

Ⅰ. 정의

GFRP 보강근은 기존의 강재(철근)를 대체하기 위해 개발된 신소재 보강재로, 높은 인장강도를 가진 유리섬유(Glass Fiber)를 다발로 묶어 폴리머 수지(Polymer Resin)로 압축 성형하여 만든 막대(Bar) 형태의 보강재입니다.

Ⅱ. 특징 및 장단점

구분	내용
장점	내부식성: 녹슬지 않으므로 염해나 화학적 침식에 대한 저항성이 매우 우수합니다. (가장 큰 장점) 경량성: 비중이 철근의 약 1/4 수준으로 가벼워 운반 및 취급이 용이합니다. 고강도: 인장강도가 철근보다 2~3배 높습니다. 비자성/비전도성: 전자기의 영향을 받지 않아 MRI 병실, 자기부상열차 선로 등에 적용 가능합니다.
단점	취성적 거동: 항복 현상 없이 탄성 거동을 하다가 갑자기 파괴되는 취성 재료입니다. 낮은 탄성계수: 철근보다 탄성계수가 낮아(약 1/4), 동일 하중에서 변형(처짐)이 크게 발생합니다. 내화성 취약: 고온에서 강도가 급격히 저하됩니다. 고가: 철근에 비해 재료비가 비쌉니다.

Ⅲ. 적용 분야

염해 환경에 노출되는 해양/항만 구조물, 제설제에 노출되는 교량 바닥판, 화학 공장 구조물 등 철근 부식이 심각하게 우려되는 환경에서 철근의 대안으로 주로 사용됩니다.

13. 완전 합성보(Full Composite Beam)와 부분 합성보(Partial Composite Beam)

Ⅰ. 정의

합성보(Composite Beam)는 강재 보(Steel Beam)와 콘크리트 슬래브를 전단연결재(Shear Connector)로 연결하여 일체로 거동하게 함으로써, 각 재료의 장점을 극대화한 효율적인 보 부재입니다. 전단연결재의 수량과 배치에 따라 완전 합성과 부분 합성으로 구분됩니다.

Ⅱ. 구분 및 특징

• 완전 합성보 (Full Composite Beam)
  • 정의: 강재 보와 콘크리트 슬래브 사이에서 발생하는 최대 수평전단력을 모두 감당할 수 있을 만큼 충분한 개수의 전단연결재를 설치한 보를 말합니다.
  • 특징: 강재 보와 콘크리트 슬래브는 미끄러짐(Slip) 없이 완전히 일체로 거동하며, 보는 최대의 휨강도와 강성을 발휘합니다.
• 부분 합성보 (Partial Composite Beam)
  • 정의: 완전 합성에 필요한 수량보다 적은 개수의 전단연결재를 설치한 보를 말합니다.
  • 특징: 최대 수평전단력보다 전단연결재의 저항력이 작아 강재 보와 콘크리트 슬래브 사이에 약간의 미끄러짐이 발생합니다. 이로 인해 휨강도와 강성은 완전 합성보보다 다소 감소하지만, 전단연결재의 개수를 줄여 경제적인 설계가 가능합니다.

설계 시에는 특별한 경우를 제외하고는, 충분한 강도와 강성을 확보하기 위해 완전 합성을 기본으로 설계하는 것이 일반적입니다.