[건축시공기술사 장판지] 3-4. 흙막이 안전성 확보 대책

굴착 시 지반 파괴는 지반 조건에 따른 지배 메커니즘을 판단하여 안전율을 검토하고 적절한 대책공법을 선정하는 것이 핵심이며, 부력·부상방지는 시공 중뿐 아니라 완공 후에도 영구적으로 작용하는 하중이므로 설계·시공·유지관리 전 단계의 별도 대책이 요구된다.

1. 굴착 시 3대 파괴현상의 분류

Heaving(히빙) : 연약점토지반 굴착 시 흙막이 내외 흙의 중량차로 굴착저면이 부풀어 오르는 현상. 점성토, 전반적 파괴
Boiling(보일링) : 투수성 사질지반에서 배면-굴착저면 수위차로 모래와 물이 부풀어 오르는 현상. 사질토, 국부적 파괴
Piping(파이핑) : 사질지반에서 미립토사가 유실되며 지반 내 pipe 모양 수로가 형성되는 현상. 배면발생형·저면발생형 2종으로 구분(3절 상세)

구분	Heaving	Boiling	Piping
적용 지반	연약 점성토	투수성 사질토	사질토
발생 원인	흙막이 내외 중량차	배면·저면 수위차	지하수 과다, 피압수, 차수성 부족
현상	굴착저면 전체 융기	모래+물 부풀음	Pipe형 수로 형성 (2종 발생양상)
피해 범위	전반적	국부적	국부적
기출 빈도	4건	3건	1건

📌 KCS 21 30 00 : 2024 §3.7.3(1) — “지하연속벽의 시공은 설계도면을 따르며, 특히 굴착면의 히빙, 파이핑 및 벽체의 횡방향 변위에 대비하여 최종 굴착면 아래로 충분히 벽체를 근입하여야 한다.” — 히빙·파이핑에 대한 KCS 명문 규정은 이 조항이 유일하며, 보일링은 KCS 21 30 00 전문에 조항 자체가 없다. 안전율 1.2, 한계동수구배 등 수치는 모두 교재·실무 관행 기준이다.

2. 파괴현상 심화 비교 — Quick Sand·Quick Clay

Boiling·Piping의 배경 이론인 Quick Sand와, Heaving과 유사하나 구분이 필요한 Quick Clay(Leaching)는 판정 기준과 발생 메커니즘이 근본적으로 다르다.

구분	Quick Sand	Quick Clay(Leaching)
지반	사질토	해성 점토지반
현상	유동화 발생, Piping 발생	용탈현상, 진행성 파괴, 예민비 증가
판정 기준	동수구배(i) ≥ 한계동수구배(ic) 유효응력(σ′) < 침투압	수두차, 예민비로 판정
특이사항	액상화 발생과 연계	구조물이 느슨한 지반 위에 있을 때, 지표면 Heaving 없이 침하 파괴 가능

3. Piping 상세 — 배면발생형·저면발생형

Piping은 흙막이벽을 기준으로 발생 위치에 따라 2가지 유형으로 구분되며, 각각 원인과 대책이 다르다.

구분	배면발생형	저면발생형(Boiling형)
발생 조건	차수성이 적은 흙막이 공법에서 배면 지하수가 흙막이벽으로 유출될 때	배면-굴착저면 수위차가 현저히 클 때 상향 침투수로 지반토와 물이 함께 분출
발생 원인	지하수 과다, 흙막이 배면 피압수 존재, 흙막이벽 차수성 부족	굴착면과 지하수위차 大, 투수성 큰 사질지반, 흙막이 근입깊이 부족
방지대책	차수성 높은 흙막이공법 시공, 흙막이벽 밀실시공, 지하수위 저하, 지반고결	흙막이벽 근입깊이 확대(불투수층까지), 지하수위 저하, 지반고결

4. 피압수(Confined Ground Water) — 부력의 숨은 원인

피압수란 상하 불투수층(점토지반) 사이에 존재하며, 상위 토층의 지하수보다 높은 수두를 갖는 지하수를 말한다. 부력 발생·용출·공벽붕괴 등 여러 파괴현상의 근본 원인이 되므로 반드시 별도로 검토한다.

터파기 용출현상 : 상부 흙 하중으로 유지되던 피압수가 굴착 시 흙 제거로 분출
제자리 Con’c 말뚝 및 Slurry Wall 공벽붕괴 : 굴착 벽면이 피압수 부풀음으로 붕괴
부력 발생 : 압력 수두차에 의해 건물 기초 저면이 뜨는 현상

대책 : ①배수공법(중력·강제)으로 피압수위 저하 ②차수성 흙막이(Sheet Pile·Slurry Wall) 선택 ③지반조사로 피압수층 사전 파악 ④근입장을 불투수층까지 확대 ⑤약액주입으로 지수벽·지수층 형성

5. 부력 및 양압력의 이론 — 지하구조물 안전성의 핵심

⚡ 부력·양압력·부상방지 관련 문항은 25년간 18건으로, 건축시공기술사 3장 전체에서 가장 많이 출제된 단일 주제이다. 시공 중뿐 아니라 완공 후 영구적으로 작용하는 하중이므로 반드시 별도 항목으로 다룬다.

부력(Buoyancy, B) : 유체(물) 속에 있는 물체가 유체로부터 받는 중력과 반대 방향의 힘. 물속에 잠긴 물체 부피만큼의 물 무게와 같다.
양압력(Uplift Pressure) : 구조물이 지하수위 이하에 있을 경우, 저면에 작용하는 수압 중 상향으로 작용하는 수압.

부력 B = γw × V (γw : 물의 단위중량, V : 침수 체적) | 양압력(정수위) = D × γw | 양압력(침투 시) = (D+h) × γw

건축물 안전 조건 : W ≥ 1.25B (자중 W가 부력 B보다 1.25배 이상 — 안전율 포함)

부력·양압력으로 인한 영향은 ①부상(구조물 변형·파손) ②우력 발생(하중중심-부력중심 어긋남 → 건물 기울음) ③침하·균열(양압력에 의한 구조체 손상)로 나타난다.

📌 KCS 21 30 00 : 2024 §3.1(11) — “흙막이공사 완료 후 지하구조물 본체 공사 중 빈번히 발생하는 지하구조물 부상현상에 대해 항시 육안 관찰을 하고 가시설 주위의 완벽한 배수시설을 갖춰 지표수가 흙막이 공사장 내로 유입되지 않도록 충분한 대책을 세워야 한다.” 또한 §1.4.2(2)⑦은 공종별 시공계획서에 “흙막이 공사 중 또는 완료 후 구조물의 부상현상에 대한 배수처리 및 부상방지대책“을 필수 포함 항목으로 명시하고 있다 — 부상방지가 설계 단계부터 의무화된 항목임을 답안에 명시할 것.

6. 지하구조물 부상방지 대책의 분류

부상방지 대책은 ①저항력 증대(W↑) ②부력 저감(B↓) ③차수(발생 차단)의 3가지 방향으로 분류한다.

저항력 증대형
- 자중 증대 : 구조물 하중 증가(Mat 기초 두께 증대, 매스 콘크리트 추가)
- Rock Anchor : 연약지반에서 암반까지 천공 설치하는 영구용 앵커. 옹벽 수평저항용·교량보강용으로도 사용
- Micro Pile(인장파일) : 협소한 공간에 주로 사용, 부상방지·기초보강에 활용
- 마찰말뚝, 구조물 이치(移置)
부력 저감형(영구배수)
- Deep Well 공법, 상수위 제어 영구배수공법 : 지하수위를 부력 안정수위 이하로 영구 유지 → Dewatering
- 배수공법(지하수위 저하), 브라켓 설치, 인접구조물 긴결
차수형
- Slurry Wall, Sheet Pile, Soil Cement Wall 공법 등으로 지하수 차단 → 양압력 발생 자체를 억제

구분	자중 증대	Rock Anchor	영구배수	차수(Slurry Wall)
지지 원리	W 자체 증가	암반 정착 인장저항	지하수위 저하	침투 자체 차단
유지관리	불필요	방청 관리 필요	지속 가동 필요	불필요(영구벽체)
경제성	가장 경제적	보통	전력비 지속 발생	고가(초기)
적용 조건	부력이 크지 않은 경우	피압수 부력 큰 경우	지하수위 관리 가능 현장	흙막이 겸용 가능 현장

7. 배수공법 및 고결공법의 전체 체계

Heaving·Boiling·Piping·피압수 대책의 실행 수단인 배수공법과 고결공법을 체계적으로 분류하면 다음과 같다.

(1) 배수공법의 분류

중력배수공법 : 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 중력의 법칙을 이용
- 집수통(집수정)배수공법 : 깊은 집수통을 설치해 지하수를 고이게 한 뒤 수중펌프로 배수. 설비 간단·경비 저렴, 사질지반에 유리
- 명거배수공법 : 지형 구배를 이용한 자연배수
- 암거배수공법 : 유공관·자갈을 지중에 매설하여 배수
- Deep Well 공법(깊은우물공법) : 깊은 우물을 파고 casing strainer 삽입 후 수중펌프로 양수. 고양정 pump로 깊은 대수층 양수 가능하나 준비작업 복잡·공사비 고가
강제배수공법 : 진공(vacuum)으로 물을 강제 집수
- Well Point 공법 : 집수관을 1~2m 간격으로 박고 진공펌프로 흡입탈수. Heaving·Boiling 방지 효과, 양정깊이 7m 이상 시 다단식 적용
- 진공 Deep Well 공법(진공흡입공법) : Deep Well + 진공펌프 결합, 점성토 지반개량에 주로 사용, 필요 수위저하량·배수량이 많을 때 적용
- 전기침투공법 : 양극-음극 전위차 이용, 투수성 매우 작은 점토지반에 사용(현재 사용빈도 낮음)

구분	중력배수	강제배수
대표 공법	집수통·명거·암거·Deep Well	Well Point·진공 Deep Well·전기침투
적용 지반	투수성 좋은 사질지반	투수성 낮은 사질토~점성토
공사비	비교적 저렴(집수통) ~ 고가(Deep Well)	Well Point 대비 진공Deep Well 고가

(2) 고결공법의 분류

지반 자체의 강도·차수성을 인위적으로 높여 Heaving·Boiling·Piping을 방지하는 방법으로, Heaving 방지대책의 “약액주입공법, 동결공법 등으로 굴착저면 고결”이 바로 이 범주에 해당한다.

생석회말뚝공법 : 지반 내에 생석회(CaO)로 말뚝을 설치하여 흙을 고결화
동결공법 : 지중 수분을 일시적으로 동결시켜 지반의 강도와 차수성을 향상
소결공법 : 점토질 연약지반에 보링으로 구멍을 뚫고 그 속을 가열하여 주변 지반을 고결

8. Underpinning 공법의 분류

Underpinning은 ①기존 구조물의 지지력이 부족할 때 ②구조물에 침하·경사가 생겨 복원이 필요할 때 ③침하·경사를 미연에 방지할 때 ④건물 이동이 필요할 때 ⑤액상화로 인한 경사 복원 시 적용한다.

시공순서 : 사전조사 → 준비조사·가받이공사 → 본받이공사 → 철거와 복구

기초구조 대책 : 경질지반 안착, 마찰말뚝 시공, 기초 제원 통일(건물중량 balance), 지중보 설치, Floating Foundation(부력기초), 부마찰력 방지
상부구조 대책 : 건물의 경량화, 구조물 중량 배분 균등, 신축줄눈 설치
주변영향 대책 : 배수공법 적용 시 균등한 수위 저하, Underpinning 실시, 이중 널말뚝 차단벽 시공
기타 : 사전조사, 구조보강, 계측관리

공법 종류	개요	적용 조건
바로받이공법(Pit공법)	기존 기초 하부를 소규모 Pit 굴착 후 직접 Con’c 타설·보강	얕은 기초, 소규모 보강
보받이공법(말뚝공법)	기존 기초 하부에 강관말뚝·현장타설말뚝 신설	대규모 하중 전달 필요 시
약액주입공법	기존 기초 주변 지반에 약액 주입으로 지반 고결·강도 증가	협소 공간, 부동침하 복원
JSP(고압분사)	고압분사 그라우팅으로 하부 지반 고결·강화	심층 지반 개량 필요 시

9. 조건별 안전대책 선정 FLOW

지반조건 파악 → 예상 파괴현상 판단 → 안전율·판정식 검토 → 대책공법 선정(배수/고결) → 부력 별도검토 → 계측관리

현장 조건	예상 파괴현상	권장 대책	부력 검토
연약 점성토, 근입장 부족	Heaving	근입장 증대 / Island Cut / 동결·생석회 고결	별도
투수성 사질토, 지하수위 高	Boiling / Piping	Deep Well·Well Point / 차수벽	별도
불투수층 사이 피압수 존재	용출·공벽붕괴·부력	배수공법 + 차수성 흙막이 + 근입장 확대	필수
지하수위 이하 구조물, 우기철	부상·부력	자중증대 / Rock Anchor / 영구배수	필수
인접 기존 구조물, 근접 굴착	부등침하	Underpinning	해당 시

📌 KCS 21 30 00 : 2024 §3.6.2(4) — 엄지말뚝(H-Pile) 시공 시 “말뚝의 항타는 연속적으로 타입하되, 소정의 심도까지 반드시 근입하여야 한다. 토사인 경우 굴착저면 아래로 최소한 2m 이상 근입하여야 한다.” — H-Pile+토류판 공법에서 근입장 확보의 구체적 수치 근거로 활용 가능하다.

10. 기출문제 분석 (출제 경향)

63회~137회(2001~2025년, 25년간) 기출 중 3-4 흙막이 안전성 확보 대책 범위에 해당하는 문제를 원문 전수 검색하여 분석한 결과이다.

년도(회차)	출제 문제 (요약)	핵심 키워드
2002(66)	Rock Anchor공법의 용도와 시공방법	Rock Anchor
2002(68)	Boiling	Boiling
2003(72)	부력으로 인한 건물 피해 해결방법	부력
2004(74)	Micro Pile	Micro Pile
2005(76)	양압력 저감 영구배수공법	양압력
2006(80)	지하주차장 바닥층 부력 방지대책	부력
2007(83)	히빙(Heaving)현상	Heaving
2008(86)	언더피닝 공법 종류별 적용대상과 효과	Underpinning
2008(87)	보일링(Boiling)과 히빙(Heaving)	Boiling/Heaving
2009(88)	널말뚝식 흙막이 Heaving·Boiling·Piping 방지대책	3대 현상 종합
2009(90)	부력기초(Floating Foundation)	부력기초
2010(92)	부력받는 건축물의 Rock Anchor 공사	부력/Rock Anchor
2012(97)	부력과 양압력	부력·양압력
2014(103)	구조물 부력(UP-Lifting Force) 발생원인 및 대책	부력
2015(106)	락앵커(Rock Anchor) 시공목적 및 장단점	Rock Anchor
2015(107)	지하수위 7.5m, 굴착 30m 시 부력 대응·감소방법	부력(복합조건)
2016(108)	인접현장 기초공사 시 언더피닝 공법	Underpinning
2017(113)	부력과 양압력	부력·양압력
2018(115)	언더피닝 적용 경우·종류·시공절차	Underpinning
2018(116)	지하주차장 부력 문제점 및 대응방안	부력
2019(117)	언더피닝(Underpinning)	Underpinning
2019(118)	부등침하 원인·방지대책 및 언더피닝	Underpinning
2019(119)	지하구조물 부상요인 및 방지대책	부상방지
2021(124)	부력 받는 지하구조물 부상방지 대책	부력·부상방지
2022(126)	지하수에 의한 부력 대처 방안	부력
2022(128)	지하구조물 부력의 영향 및 부상방지 공법	부력·부상방지
2023(129)	부력방지용 인장파일(Micro Pile) / 언더피닝	Micro Pile/Underpinning
2023(131)	우기철 부력 받는 구조물 부상 방지대책	부력(우기철)
2024(133)	지하구조물 부상방지 공법 및 부위별 계측	부상방지·계측
2024(134)	건축물 부상방지 공법별 특징과 중점관리대책	부상방지

출제 경향 요약

총 출제 현황 : 25년간(63~137회) 28건 이상 출제 — 3장 전체에서 부력·부상방지가 단일 최다 빈도 주제
키워드별 출제 빈도
- ① 부력·양압력·부상방지 : 18건 — 3장 전체 최다 출제 키워드
- ② Underpinning(언더피닝) : 6건 — 2008년 첫 출제 후 지속 반복
- ③ Heaving(히빙) : 4건 — 단독 또는 Boiling·Piping과 복합 출제
- ④ Boiling(보일링) : 3건 / Rock Anchor : 3건
- ⑤ Piping(파이핑) : 1건(단, Heaving·Boiling과 항상 종합 출제)
출제 패턴 변화
- 초기(2002~2010) : 단독 현상 설명(Heaving, Boiling, Rock Anchor 정의·시공법)
- 중기(2012~2019) : 부력·양압력 복합 문제, 언더피닝 시공절차 세분화
- 최근(2021~2024) : “부력+부상방지+계측관리” 복합형이 주류, 우기철·복합조건 부여 증가
최근 트렌드 : “부력을 받는 지하구조물”이 문제 조건에 빈번 → 부상방지 공법 비교 + 계측 대상·방법까지 요구하는 복합 서술형이 증가

11. 답안 작성 포인트

“Heaving·Boiling·Piping 정의 나열” → X
“지반조건 제시 → 파괴현상 판단 → 안전율 검토 → 대책공법 선정” → O

항상 어떤 지반조건에서 → 왜 이 파괴현상이 지배적이며 → 안전율 몇 이상을 확보하기 위해 어떤 대책을 선정하는가의 구조로 답안을 구성해야 합니다. 부력 문제는 별도로 W ≥ 1.25B 공식을 반드시 명시합니다.

<논술답안의 표준골격>

① 지반조건 정리(점성토/사질토, 지하수위, 근입장, 피압수 유무)
② 파괴현상 판정(안전율·판정식 계산 — 교재 기준임을 인지)
③ 방지대책 선정 및 근거(배수공법/고결공법 구체적 명시, 가능한 경우 KCS 21 30 00 조항 인용)
④ 부력·부상방지 별도 검토(해당 시 W≥1.25B, KCS §3.1(11)·§1.4.2(2)⑦ 육안관찰·배수시설 의무 언급)
⑤ 계측관리 연계

12. 관련 장판지 및 용어정리

3-4. 흙막이 안전성 확보 범위 관련 용어정리

굴착 시 파괴현상
- Heaving(히빙)
- Boiling(보일링)
- Piping(파이핑) — 배면발생형·저면발생형
- Quick Sand / Quick Clay(Leaching)
- 피압수(Confined Ground Water)
부력·부상방지 공법
- 부력과 양압력
- Rock Anchor
- Micro Pile(인장파일)
- Floating Foundation(부력기초)
배수공법
- 집수통(집수정)배수공법 / 명거배수공법 / 암거배수공법
- Deep Well 공법 / Well Point 공법
- 진공 Deep Well 공법(진공흡입공법) / 전기침투공법
고결공법
- 생석회말뚝공법 / 동결공법 / 소결공법
기초 보강 : Underpinning(언더피닝)

흙막이 안전성 확보의 사고 FLOW(시험장 리마인드)