EFNARC(2008) 0.5 MPa (재령 28일)
1.0 MPa (재령 28일) 평균 2.67 MPa 평균 3.71 MPa
인장강도 EFNARC(2008) 2 MPa (재령 7일) 평균 2.98 MPa 평균 6.07 MPa
파괴 시 신장율 EFNARC(2008) > 10% (재령 7일) 평균 323.04% 평균 100%
수밀성 ITAtech(2013) Zero penetration
(28일@3 bar) Zero penetration (28일@5 bar) 난연성 ITAtech(2013) Class E (EN ISO 1192
5-2) Class E
No visual sign of degra dation
Loss in mass < 5% 중량손실 없음
리칭 저항성 EFNARC(2008) (EN 14415)
No visual sign of degra dation
Loss in mass < 5% 중량손실 없음
표 2.1 개발된 재료의 성능목표 달성
개발된 완성품은 분진저감 및 연성을 증가가 특징인 2성분 재료와 시공성(시공속도), 경제성 및 강성을 증대시킨 분말 1성분 재료 2가지로 제안하여서 시공조건별 맞춤형 시공이 되도록 재료를 개발하였다. 차수용 박층 멤브레인의 성능은 부착강도, 인장강도, 파괴 시 신장율과 같 은 물리적 특성과 수밀성, 난영성, 화학적 저항성 등 환경적 특성을 함께 고려하였다. 표 2.2는 연구에서 제시한 성과목표와 대표적인 성능시험 결과(예)를 나타낸다.
[B-3①] 최종 시작품 부착강도 결과(예) [B-3②], [A-5①] 방수성능 결과(예)
No water penetration
[B-3③] 최종 시작품 난연성 결과(예) [B-3④]최종 시작품 크랙브리징 결과(예)
표 2.2 차수용 박층 멤브레인 완성품의 대표적인 성능시험 결과(예)
ITAtech(2013)에서는 방수목적으로 사용하기 위한 멤브레인의 성능기준들인 부착강도, 수밀 성, 내구성, 크랙브리징 등의 시험과 더불어서, 멤브레인의 구조적인 보강효과로의 활용 가능 성을 평가하기 위하여 멤브레인과 유사한 재료적인 특성을 가지며 암반 지보재(rock support) 로도 활용되는 TSL(Thin Spray-on Liner)의 성능기준을 제시하고 있는 EFNARC(2008)에서 규정하고 있는 인장강도와 파괴 시의 신장율(elongation at break)에 대해서도 평가를 실시하 였다. 또한 ITAtech(2013)와 EFNARC(2008)에서 규정한 품질관리 대상의 성능지표는 아니지 만 멤브레인의 시공성(Stubberfield, 2016)을 간접적으로 파악하기 위하여 쇼어경도(shore har dness)를 재령별로 함께 측정하였다. ITAtech(2013)이 제시하는 차수용 박층 멤브레인의 차수 성능과 관련한 기준은 28일간 5 bar(0.5 MPa) 수압 하에서 물의 침투가 없는 기준(zero penetr ation)이다. EFNARC(2008)에서 제시하고 있는 영구 지보재에 대한 성능 기준은 지지력 평가, 직접인장시험 및 부착강도를 주요 성능 지표로 제시하고 있다. TSL의 경우, 부착강도에서도 1 MPa을 성능기준으로 제시하고 있어서 차수용 박층 멤브레인의 부착강도 기준인 0.5 MPa보 다 높은 수준이 요구된다. 표 2.3은 완성품의 성능 검증을 위해 수행한 대표적인 점검항목들의 결과들을 나타낸다.
쇼어경도 인장강도
부착강도 지지력 평가
수밀성 시험 리칭 저항성 평가
표 2.3 차수용 박층 멤브레인 완성품의 대표적인 성능시험 결과
본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인 재료 개발 과정에서 1차, 2차 시작품에 대한 성능 개선을 통해 완성품을 제시하였다. 연구에서 제안한 차수 멤브레인 완성품은 분말 1성분 형태로 노즐 에서 물과 혼합되어 분사되는 방식을 제안하였으며 기존 차수 멤브레인에 비해 구조적 성능을 향상시키기 위해 시작품 배합에서 국제 성능기준을 만족하도록 하고 석고와 탄산칼슘의 비율 을 변경하여 상대적으로 높은 인장강도를 갖도록 하였다. 재료의 배합과 시공에 관해서는 시 방서 형태로 제시함으로써 시공 시 배합비와 노즐 사용 방법, 시공 후 관리 방법 등을 나타냈 다. 추후 터널 설계 등 지하구조물 설계 반영 시 구조물 설계와 연계된 상세한 시방서 제시가 가능할 것으로 판단된다.
(2) 차수용 박층 멤브레인 설계패턴 개발
일반적으로 지하구조물들의 차수 및 방수 시스템들은 전면방수, 부분적인 응력 완화를 위한 부분배수, 완전 배수에 의해 전체적인 수압을 경감시키는 배수 시스템 중 하나를 만족하도록 설계한다. 차수용 박층 멤브레인은 앞서 언급한 세 가지의 차수 및 방수 시스템의 범주 가운 데, 비배수 설계․시공, 체계적인 배수공사, 국부 배수공사, 혼합 방수 시스템 등에 적합하다.
차수 및 방수 시스템 내부에서 물의 흐름을 제한하는 멤브레인의 부착 특성으로 인해, 뿜칠 멤 브레인을 굴착면 전체의 수압을 완화시키는(완전 배수) 설계에 적용하는 것은 적합하지 않다 (ITAtech, 2013).
지하구조물 내부로의 영구적인 지하수 배수로 인해 지표 침하와 주변 건물․시설의 피해를 야 기할 수 있는 도심지 지하구조물(예: 지하철 터널, 정거장)을 건설할 때는 일반적으로 비배수 방수 시스템(undrained waterproofing system)이 필요하다. 또한 지하구조물의 배수 시스템과 양수 펌프와 관련된 장기적인 유지관리 문제를 줄이기 위해서도 비배수 방수 시스템이 필요하 다. 비배수 방수 시스템이 필요한 지하구조물들은 다음과 같다.
Ÿ 하수 터널과 양수 저장 수직구를 포함한 수로 터널 및 수직구 Ÿ 수력발전소의 취수 터널, 도수 터널, 서지 샤프트 등
Ÿ 취수원(대수층)을 통과하는 터널
Ÿ 학술적 가치지역, 자연 호수, 자연 보호지역을 통과하는 터널 등
완전 배수 시스템(systematic drainage system)에서는 콘크리트 라이닝 배면에 발생할 수 있 는 지하수압의 형성을 영구적으로 방지하기 위하여, 지하구조물의 외주면을 따라서 일정한 간 격(예: 매 5 또는 10 m)으로 배수 시스템을 설치한다. 예를 들면, 1차 콘크리트 라이닝에 배수 시트 스트립을 설치하여 인버트에 위치한 배수 시스템과 연결하면 된다. 배수 시트는 1차 콘크 리트 라이닝에 밀착되도록 설치하여야 하며, 방수 시트를 설치하기 전에 숏크리트 층을 평탄 하게 조절해야 한다. 잠재적 지하수압 형성에 대한 안전성을 향상시키기 위해서는 체계적으로 원주방향의 배수 스트립에 축방향 배수 스트립(일반적으로 지하구조물 천정부와 측벽부에 설 치)을 연결하여 보완한다 (ITAtech, 2013).
반면, 암반 내부의 균열이나 절리들을 통해 지하수가 흐르는 불투수성 암반에 터널을 건설하 는 경우, 즉, 1차 라이닝에 국부적으로 지하수 유입이 발생하는 지하구조물에서는 국부적인 배 수 시스템(localized drainage system)을 적용할 수 있다. 유입수가 발생하는 지점에서 소구경 천공, 패킹, 파이프 연결 등으로 침투수를 집수하고 배출한 후에 뿜칠 멤브레인에 의해 차수 및 방수를 시행하는 것이 효과적이다. 또는 필요에 따라서 배수 스트립들을 전체 배수 시스템 에 연결할 수 있다.
혼합 배수 시스템(mixed drainage system)은 방수 시트를 지하구조물의 천정부에 도포하여 천정부 위치에 방수 “우산”(watertight “umbrella”)을 형성하는 개념이다. 지하구조물 단면의 나머지 부분에는 방수 시트를 설치하지 않기 때문에 자유 배수가 고려될 수 있으며, 지하수가 콘크리트 라이닝과 지반 사이의 경계를 따라 스며들거나 측벽 내부 및 인버트 위치에서 배수 되며, 측벽 바닥을 따라 지하구조물 입구로 배수된다. “우산” 멤브레인의 간격은 일반적으로
지하구조물 내부의 누수로부터 이용자와 구조물의 서비스를 보호할 수 있는 범위에서 설계된 수를 제어하기 위한 사전 주입공법(pre-injection method)이나 사전 배수(de-watering)를 실 시하여야 한다. 반면, 지속적으로 유입수가 다량 발생하는 경우에는 방수 시트를 적용하는 것
로 보면, 멤브레인으로 인해 합성 구조물이 급격한 파괴가 발생하지 않는 연성 특성을 발현하 기는 하지만 현재 대부분 최대(항복) 강도에 기반하여 적용되고 있는 설계법들을 고려할 때는 이러한 조건은 설계상 불리할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 다음과 같이 차수용 박층 멤브레인의 적용 방안을 제시하고자 한다. 첫 번째는 선진 외국에서 적용하고 있는 바와 같이, 차수 및 방수 목적으로만 사용하는 차수용 박 층 멤브레인의 용도로서 2개의 숏크리트나 콘크리트층 사이에 멤브레인을 시공하는 것이다.
이렇게 되면 구조물의 전체적인 차수 및 방수 성능의 향상을 기대할 수 있다. 그러나 내측의 숏크리트나 콘크리트층에 구조적인 역할을 기대하게 되면 본 연구 결과에서와 같이 전체적인 강성과 최대 강도 저하가 발생할 수 있으므로, 내측(마감층)의 숏크리트와 콘크리트층은 내부 방수와 구조물 마감 목적으로 적용되어야 한다. 반면, 차수용 박층 멤브레인에 의해 지보력 및 내하력 증가가 필요할 경우에는 반드시 지보재나 구조체의 내측에 멤브레인을 타설하여 멤브 레인으로 시공을 하여야 한다. 단, 이를 위해서는 멤브레인의 높은 품질(내구성 등)이 확보되 어야 하며, 큰 수압이 작용이 할 경우에는 지보재나 구조체의 외측에 배수시스템 등을 도입하 는 방안을 함께 고려할 필요가 있다(표 2.4).
차수/방수 목적 보강 목적 (지보력/내하력 향상 목적)
표 2.4 차수/방수 목적 및 보강 목적에 따른 시공 방법 제시
연구에서 제시한 차수 및 방수 설계절차에 따라 차수용 뿜칠 멤브레인을 적용한 대표적인 지 하구조물인 NATM 터널의 대표적인 배수형 차수․방수 시스템은 표 2.4와 같다. 기존의 방수 시트를 대체하는 내부 방수 목적으로만 뿜칠 멤브레인을 적용하기 때문에 종래의 배수 시스템 과 동일하다. 단, 천정부와 측벽부에서 발생하는 침투수를 인버트의 배수 파이프로 유도하기 위하여 요철형 드레인보드(drainboard, 배수판)을 적용하는 것으로 설계하였다. 뒤이어 드레인 보드 후면의 음각 부분에 뿜칠 방수 멤브레인을 타설 시공하는 것으로 하여 드레인보드와 멤 브레인의 부착성을 높일 수 있도록 하였다. 배수를 허용하지 않는 비배수형 NATM터널로서 유도배수 및 인버트의 배수공이 필요하지 않기 때문에 모든 굴착면을 뿜칠 멤브레인으로 마감
하도록 설계하였다. 따라서 배수형 시스템과 비교할 때, 구성이 매우 단순하다. 단, 앞서 설명 한 임시 또는 영구 배수대책은 필요할 경우에 적용되는 방안이므로 설계도에는 포함하지 않았 다.
ITAtech(2013)에서 강조하고 있듯이 뿜칠 멤브레인은 본선터널과 연결통로의 접속부와 같이 기하학적 형상이 복잡하여 종래의 방수 시트 시공이 어려운 경우에서도 적용성이 높다. 따라
ITAtech(2013)에서 강조하고 있듯이 뿜칠 멤브레인은 본선터널과 연결통로의 접속부와 같이 기하학적 형상이 복잡하여 종래의 방수 시트 시공이 어려운 경우에서도 적용성이 높다. 따라