지반 굴착시 차수성능 향상을 위한 보강기술 개발 3세부 최종보고서

보안 과제( ), 일반 과제( V ) / 공개( V ), 비공개( )발간등록번호(11-B552989-000245-01)

건설기술연구사업 제5차연도 최종보고서

R&D/19SCIP-B108153-05

국 토 교 통 부

국 토 교 통 과 학 기 술 진 흥 원

보고서 요약서

과제 고유 번호 19SCIP- B108153-05

해당 단계 연구 기간

2015.12.28

~ 2020.01.31 단계구분 1/1

연구사업명

중사업명 국토교통R&D

세부사업명 건설기술연구사업

연구과제명

대과제명 지반함몰 발생 및 피해저감을 위한 지반 안정성 평가 및 굴착·보강 기술개발

세부과제명 지반 굴착시 차수성능 향상을 위한 보강기술 개발

연구책임자 장수호

해당단계 참여연구원 수

총: 23명 내부: 23명 외부: 명

해당단계 연구비

정부: 320,000천원 민간: 110,200천원 정부외: 천원 상대국: 천원 계: 430,200천원

총 연구기간 참여연구원 수

총: 36명 내부: 36명 외부: 명

총 연구비

정부:2,866,400천원 민간:1,008,400천원 정부외: 천원 상대국: 천원 계:3,874,800천원 연구기관명 및

소속 부서명 한국건설기술연구원 건설산업진흥본부

참여기업명

㈜실크로드티앤디, 덴버코리아이엔 씨㈜, 대호산업개발㈜

국제공동연구 상대국명: 상대국 연구기관명:

위탁연구 연구기관명: 연구책임자:

※ 국내ㆍ외의 기술개발 현황은 연구개발계획서에 기재한 내용으로 갈음 연구개발성과의

보안등급 및 사유

9대 성과 등록ㆍ기탁번호

구분 논문 특허 보고서

원문

연구시설 ㆍ장비

기술요약 정보

소프트

웨어 화합물

생명자원 신품종

생명 정보

생물

자원 정보 실물

등록ㆍ기 탁 번호

국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설ㆍ장비 현황

구입기관 연구시설

ㆍ장비명

규격

(모델명) 수량 구입연월일 구입가격

(천원)

구입처 (전화)

비고 (설치장소)

NTIS 등록번호

요약(연구개발성과를 중심으로 개조식으로 작성하되, 500자 이내로 작성합니다) 보고서 면수

요약문

연구의 목적 및 내용

도심지 굴착공사로 인한 지반함몰 발생 및 피해 저감을 위한 차수‧보강기술 개발

(1) 굴착면 차수용 박층 멤브레인 재료 및 시공기술 개발

(2) 무시멘트 고화제와 다중 동시주입 펌프를 활용한 차수 보강기술 개발

연구개발성과

(1) 굴착면 차수용 박층 멤브레인 재료 및 시공기술 개발

- 차수용 박층 멤브레인의 방수 재료, 설계패턴 및 시공법 개발

(2) 친환경 고화제와 다중 동시주입 장치를 활용한 보강 그라우팅 시스템 개발 - 무시멘트 친환경 고화제 및 동시주입 펌프 시스템 개발

연구개발성과의 활용계획 (기대효과)

(1) 지반 굴착공사 시 적용가능한 차수용 박층 멤브레인 재료, 설계패턴 및 공법

: 차수용 박층 멤브레인 기술은 시험시공 등을 통한 기술검증을 통해 지식 재산권화(특허, 신기술 등) 및 상용화 추진

(2) 환경 유해물질 배출이 없는 무시멘트 고화제와 시공성/경제성을 향상 시킬 수 있는 다중 동시주입 펌프 및 모니터링 시스템

: 무시멘트 고화제 다중 동시주입 펌프를 개발한 후 실증테스트를 추진 하고, 다양한 토질조건을 제어하는 품질관리 시스템을 개발하여 상용화 추진

국문핵심어

(5개 이내) 지반 차수 보강 굴착 시공

영문핵심어

(5개 이내) Ground Waterproof Reinforcement Excavation Construction

※ 국문으로 작성(영문 핵심어 제외)

〈 목 차 〉

1. 연구개발과제의 개요 ···1

2. 연구수행내용 및 성과 ···3

3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ···65

4. 연구개발성과의 활용 계획 등 ···68

붙임. 참고 문헌 ···73

1. 연구개발과제의 개요

전 세계적으로 밀집된 도심지의 공간 활용성을 높이기 위한 다양한 지하굴착 공사들이 이루어 지고 있으나, 지하 굴착공사로 인한 기존 지하매설물의 파손, 지하수 유출 등으로 인해 각종 지반침하 및 지반함몰 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 국외의 경우 미국 휴스턴에서는 1940 년대 초반부터 1970년대까지 지하수 사용량이 급격하게 증가해 지반 침하가 지속적으로 발생 하고 있는 상황으로서 최대 직경 2 m, 약 830만 ㎡에 걸쳐 약 30 cm 이상 지반 침하가 발생하 였고, 일본의 경우 후쿠오카 도심 한복판에 폭 15 m, 길이 20 m에 달하는 대형 싱크홀이 발생 한 바 있다. 특히, 일본은 도시용수 중 24%를 지하수에 의존할 만큼 도시용수의 상당 부분을 지하수로 충족하므로 미국의 경우와 마찬가지로 지하수위 저하로 인해 침하가 발생하고 있다.

특히 대도시인 도쿄, 오사카 등에서 연간 5 cm 이상 지반침하가 발생하는 것으로 보고되고 있 으며, 일본 전국의 7개 지역에서 2 ㎢에 걸쳐 연간 2 ㎝ 이상 지반침하가 발생하는 것으로 조 사되고 있다. 그러나 일본을 제외한 미국과 유럽의 지반함몰 사고는 주로 석회암 지대에서 석 회암의 용해에 의해 발생하는 싱크홀(sinkhole)이 원인이기 때문에, 화성암과 편마암이 주를 이루고 있는 우리나라와는 상황이 다르다고 할 수 있다.

국토교통부에 따르면 최근 5년간 전국에서 생긴 싱크홀은 4,088건에 이르며, 2011년 573건이던 싱크홀이 지난해에 1,036건으로 1.8배 증가하였으며, 2011년에는 한건을 제외하고 서울에서 발 생하였으나, 최근에는 30%에 가까운 싱크홀이 지방에서 발생하고 있는 실정이다. 2014년 8월 에 발생한 서울지하철 공사장 인근의 석촌동 지하차도 도로 함몰 및 지하 공동 발생으로 인해 사회적으로 큰 이슈가 되었으며, 이후에도 크고 작은 지반침하 및 지반함몰 사고가 발생하였 다. 특히 서울시의 경우, 지난 2014년 9월 개최된 싱크홀 진단과 대책 정책 토론회에서 지반함 몰 사고가 연평균 20% 이상 증가하여 2017년에는 1,683건에 달할 것으로 예측된다고 보고하 였다. 이와 같이 도심지가 고도화 되고 지상 공간이 포화됨에 따라 지하공간 개발은 필수적이 나 지반함몰 현상 등으로 국민의 안전이 심각히 우려되고 있으며, 이에 정부에서는 지반함몰 을 사전에 예방할 수 있도록 특별법 제정 등 관련법규를 정비하고 있다. 최근 지반안전 사고의 주요 원인으로는 하수도관, 상수도관의 손상, 지하매설물 파손 및 노후화, 굴착공사에 의한 지 하수 유출 증대 및 시공 불량이 주요 원인으로 파악되었으며, 따라서 지반 굴착 공사에 따른 지반함몰로 인한 피해를 최소화함과 동시에, 사전에 예방할 수 있는 보강기술 개발의 필요성 이 증가하고 있다. 현재는 개착/비개착 굴착공법 적용 시에 토사나 지하수 용출이 발생하는 경 우에 주로 그라우팅 공법을 이용하여 차수 및 보강을 실시하고 있으나, 대수층이나 대심도 굴 착에 의해 지하수위가 높은 지반에서 다량의 토사나 지하수 용출이 발생하는 경우에는 그라우 팅 구근형성이 어려우므로, 적절한 차수 및 보강을 실시하기 위해서 다량의 그라우팅 재료가 소요되며 그라우팅 재료, 토사 및 지하수 유출로 인한 문제가 발생할 수 있다.

본 연구에서는 지반함몰 원인의 20%가 차수/배수 및 지하수 관련인 것에 착안하여 취약지반 을 대상으로 한 선제적인 지반함몰 예방기술 개발을 목표로 차수용 박층 멤브레인 기술과 무 시멘트 고화제를 활용한 동시주입 공법을 제안하였다. 세부기술 1에서는 공사중 또는 운영 중 지하 굴착구간의 비배수 대책 공법으로 완전 방수 또는 누수구간의 부분 차수 및 방수를 기술

의 적용 목표로 설정하였다. 이를 위해 시공된 재료를 통한 유입수는 없는 성능을 기준으로 하 였으며 타설속도면에서는 기존보다 개선된 속도를 목표로 설정하였다. 세부기술 2에서는 친환 경적이고 신속한 사전 지반보강 공법 개발을 목표로 지하수가 노출된 지반조건에서 환경 유해 물질 배출이 없는 주입재의 경제적이고 신속한 지반보강 기술 개발을 수행하였다(그림 1.1).

그림 1.1 연구개발과제의 개요

차수용 박층 멤브레인의 최적 배합을 도출과정에서 시작품 제작을 통해 성능평가와 개선사항 을 보완하여 차수멤브레인 완성품을 개발하였으며 국제터널지하공간협회(ITA)에서 제시하고 있는 설계 지침의 모든 성능기준을 만족할 수 있도록 하여 국제적인 수준의 목표 성능을 달성 하였다. 동시주입 공법에서는 시공관리 모니터링 프로그램과 무시멘트 고화제와 배합재료 특 성을 고려한 펌프가 개발되었으며, 다중 동시주입용 펌프의 성능기준을 정립하고 평가법을 제 시하였다. 개발된 기술을 활용하여 점성토 및 사질토 지반에서의 일련의 현장시험시공을 수행 하고 모니터링 프로그램과 펌프의 성능을 고도화 하였으며 개발된 공법의 적용성을 검증하였 다. 따라서 개발된 기술은 현행 국제적인 성능기준을 충족하면서도 시공성/경제성/친환경성을 확보하여 세계시장 진출이 가능한 차수·보강기술을 개발하였다.

그림 1.2 개발기술의 차별성과 혁신성

2. 연구수행내용 및 성과

가. 차수용 박층 멤브레인 재료 및 공법 개발

(1) 차수용 박층 멤브레인 재료 개발 및 성능평가

본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인의 원천기술을 독자적으로 개발하여 세계 시장에 진출함 과 동시에 외국산 재료 대비 25% 원가절감을 목표로 설정하였다. 재료 개발에 앞서, 외국 주요 제작사의 제품의 벤치마킹을 실시하기 위한 조사 및 분석을 진행하였으며, 그 결과들을 바탕 으로 차수멤브레인 1차 배합을 도출하였다. 차수 멤브레인 1차 시작품으로는 분말 1성분에서 나타나는 상대적으로 높은 리바운드 및 분진량을 저감하기 위해 액상 폴리머와 시멘트성 분말 로 구성되어 있는 2성분 재료로 개발하였다. 또한, 2차년도에는 앞서 도출한 액상 폴리머와 시 멘트성 분말로 구성되는 2성분 배합을 기반으로 하고 시공성과 경제성, 재료들의 수급 용이성 등을 고려하여, 목표성능을 만족할 수 있는 최적의 차수용 박층 멤브레인의 2차 배합을 도출하 였다. 그리고, 3차년도에서는 기 개발된 액상과 분말 2성분 차수용 박층 멤브레인과 더불어, 시 공속도 향상이 가능하고 상대적으로 경제적인 분말 1성분 멤브레인 최종 배합을 도출하였다.

최종적으로, 본 연구에서 개발된 차수멤브레인 완성품은 분말 1성분 형태로 노즐에서 물과 혼 합되어 분사되는 방식으로 구조적 성능을 향상시키기 위해 기존 배합에서 석고와 탄산칼슘의 비율을 변경하여 상대적으로 높은 인장강도를 갖도록 하였다. 본 연구에서는 차수용 박층 멤 브레인의 최적 배합을 도출과정에서 시작품 제작을 통해 성능평가와 개선사항을 보완하여 차 수멤브레인 완성품을 개발하고자 하였다. 특히, 앞서 기술한 바와 같이 국제터널지하공간협회 (ITA)에서 제시하고 있는 설계 지침(2013년)에 제시된 모든 성능기준을 만족할 수 있도록 하 여 국제적인 수준의 목표 성능 이상을 달성하였다(표 2.1).

특성 출처 성능기준최소 성능기준 2성분 완성품 1성분 완성품

부착강도 ITAtech(2013)

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

크랙브리징 ITAtech(2013)

EFNARC(2008) > 2.5 mm

> 1.0 mm 9.1～24.4 mm > 2.5 mm 화학적 저항성 EFNARC(2008)

(EN 14414)

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 다. 또한 뿜칠 멤브레인은 지하연속벽(diaphragm wall), 현장타설말뚝(bored pile) 등과 같은 옹벽 구조물(retaining wall)들을 방수하기 위한 목적으로도 사용되고 있다. 이러한 구조물들 에 대하여 숏크리트에 의한 조절층(regulating layer)을 해당 구조물에 타설한 후 그 다음으로 뿜칠 멤브레인을 타설한다. 최종 피복층은 뿜칠형으로 하거나 현장타설로도 시공할 수 있다 (I TAtech, 2013).

멤브레인은 굴착면을 통한 지하수 유입 수준이 높을 경우에는 타설 시공이 용이하지 않을 수 있다. 따라서 1차 숏크리트 라이닝 등의 굴착면을 통해 유입될 것으로 예상되는 유입수 조건에 따른 차수 및 방수 설계절차(안)을 ITAtech(2013)의 설계 가이드라인을 참고하여 그림 2.1과 같이 정리하였다. 여기에는 굴착면이 완전한 건조 상태일 경우부터 대규모의 지하수 유입이 발생할 경우까지 다양한 유입수 조건을 고려하였다. 일반적으로 뿜칠 멤브레인은 비교적 건조 하거나 국부적으로 일부 누수가 발생하는 조건들에 직접 뿜칠 타설시공이 가능하다. 따라서 굴착공사 중에 상당한 유입수가 발생하는 조건에서는 시공 중에 처리가 가능한 수준으로 유입 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 이 바람직하다(그림 2.1).

굴착면을 통한 지하수 유입 정도의 예측

완전 건조 매우 건조 모세 습윤

(일부 습윤 부분)

국부적인 약한 누수

넓은 범위의 누수

대규모의 지하수 유입

적절한 지하수 사전 처리 방법의 설정

• 주입공법에 의한 국부적인 지하수 유입의 씰링

• 배수판/배수파이프를 이용한 유입수의 배수

• 급결성 몰탈의 사용

• 기타

선택된 멤브레인을 시공하기 전에 설치면의 사전처리

가 필요한가?

조절층과 설치면의 마감상태 설계

뿜칠 멤브레인설계

예

아니오

시트 멤브레인

또는 지하수

처리?

시공 전 지하수 처리 대책 설계

조절층 설계

방수포와 시트 멤브레인

설계

지하수 처리 대책

• 주입공법

• Dewatering(배수)

• 기타

지하수처리 시트 멤브레인

뿜칠 멤브레인 설계 (필요시 조절층 포함)

그림 2.1 굴착면을 통한 지하수 유입 정도에 따른 지하구조물의 차수 및 방수 설계 절차(안)

차수용 박층 멤브레인을 숏크리트와 숏크리트 사이 또는 콘크리트와 콘크리트 사이에 시공하 게 되면, 전체적인 구조물의 차수 및 방수 효과는 증대될 수 있으나 멤브레인의 높은 연성 특 성으로 인해 전체적인 강성과 강도는 낮아질 수 있게 된다. 물론 인성 및 파괴 에너지 개념으

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 서, 각각 NATM터널 및 쉴드터널(세그먼트 라이닝 시공)의 접속부에 뿜칠 방수 멤브레인을 적용하는 설계도면을 작성하여 제시하였다. 이때 NATM터널의 접속부에서는 뿜칠 멤브레인 이 중첩 시공되어야 하기 때문에 ITAtech(2013)의 설계 가이드를 참고하여 각 뿜칠 멤브레인 층의 중첩구간을 20~30 cm가 되도록 하여 시공 조인트(construction joint)에서 시공 결함으로 인한 누수를 방지하고자 하였다. 반면, 쉴드터널에서는 세그먼트 라이닝이 비배수 방수 구조체 로 시공되기 때문에, 세그먼트 라이닝과 NATM으로 시공되는 연결통로 구간의 숏크리트와의 접속부에 유의하여 설계도면을 작성하였다. 또한, 차수용 뿜칠 멤브레인을 일반 지반굴착 가시 설 공사에 적용할 수 있는 방안을 검토하기 위해 기존 지반굴착 가시설물들에서 차수 공법들 을 검토하였다. 전문가 자문을 통해 가시설 공법 중, 차수용 뿜칠 멤브레인이 적용가능한 공법 으로는 Sheet Pile 공법, Rock bolt와 숏크리트 벽체 공법, PHC 말뚝을 이용한 흙막이 벽체 공 법, Achor 공법 등으로 검토된 바 있다. 본 연구에서는 이러한 가시설물에 적용 가능한 방안을 검토하였으며 사례를 통해 적용 가능 분야를 제안하였다(표 2.5).

NATM터널의 배수형 방수 시스템 쉴드터널/연결통로 접속부 비배수 방수

PHC 말뚝 이음부 개착구조물 슬래브 (중간말뚝 절단부)

표 2.5 차수용 박층 멤브레인을 적용 가능한 지반굴착 공법별 설계패턴 제시

연구에서 제안하는 설계패턴의 검증을 위해 일련의 실내실험과 수치해석을 수행하였다. 실내 실험에서는 차수용 박층 멤브레인과 대상 구조물간의 인터페이스 특성을 파악하기 위하여 수 행하였으며 실험에 의해 파악된 인터페이스 특성을 고려하여 해석을 통해 멤브레인의 보강효 과를 확인하였다. 대표적인 인터페이스 실험과 분석방법, 해석 결과는 표 2.6에 나타냈다. 특 히, 구조체와 멤브레인 특성을 고려한 해석을 통해 최대 휨하중 3 MPa, 휨인성 0.42 kJ 증가를 확인하여 구조적 보강효과를 검증하였다. 또한 수압에 대한 멤브레인 거동 특성을 파악하기 위해 멤브레인 시공 조건인 5 mm 적용 시 3-5 bar의 수압이 작용할 경우에도 손상발생 최대 응력이 멤브레인의 평균 부착력 이하로 나타나 목표로 제시한 수압조건에서도 개발된 재료의 사용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 인터페이스 조건을 고려한 멤브레인의 구조적 거동 해 석에서도 항복한 구조 재료의 소성 강도가 향상되는 결과를 확인하였다. 합성 구조체의 설계 패턴 및 보강효과를 검증하기 위해 세그먼테 라이닝을 사용하여 실물 파괴실험을 수행하였으 며 초기 균열하중이 평균 53.65 kN 향상되어(34.27%) 지하구조체의 내하력 향상에 대한 연구 목표를 달성하였다(표 2.7).

인터페이스 실험체 제작 인터페이스 실험(예) - 직접전단시험

해석모델 멤브레인 유무에 따른 휨인성 비교

표 2.6 설계패턴 검증을 위한 대표적인 해석 및 실험 결과

멤브레인에 대한 수압 (5 bar) 작용 모델 및 해석결과

Ground

Membrane

Hydraulic Pressure (5 bar)

콘크리트 라이닝의 모멘트 해석결과

실물 실험체 제작 실물 파괴실험 장면

실물 휨실험 결과(하중-변위 곡선) 초기 균열하중 측정결과

표 2.7 실물 파괴실험에 의한 합성구조체의 설계패턴 및 보강효과 검증

(3) 재료 맞춤형 타설장비 구축

전 세계적으로 독일, 영국 등 일부 선진국에서만 차수용 박층 멤브레인 기술을 보유하고 있는 상황이기 때문에 차수용 박층 멤브레인의 재료뿐만 아니라 타설 장비 또한 국내 기술이나 적 용 실적이 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 개발하고자 하는 재료 특성과 ITAtech(201 3)에서 제시하고 있는 차수용 박층 멤브레인의 타설속도를 만족시킬 수 있는 타설장비를 검토 하고 선정하고자 하였다. 차수용 박층 멤브레인은 횡갱, 철도 분기구간, 대규모 지하공동 등과 같이 기하학적인 구조 형상이 복잡하여 기존 시트 멤브레인의 시공이 어려운 구간에서 높은 적용성을 발휘한다. 이러한 대규모 토목공사 이외에 하수관거, 수직갱, 터널 및 지하철의 지하 집수정과 같이 작업장소가 협소하여 대형장비의 기계 타설이 어려운 경우도 발생할 수 있다.

따라서 1차년도에는 작업 장소 및 이동성을 고려하여 중량이 500 ㎏ 이하이며, 타설 속도를 고 려하여 호퍼 체적이 약 40L이상인 소형 포터블 타설장비를 검토하고 도출하였다. 1차년도에 구축된 타설 장비의 타설 속도를 보다 향상시키고자 2차년도에는 믹싱 효율을 높이고 연속 타 설이 가능하도록 타설장비를 보완하였다(표 2.8). 여기에는 개발된 재료에 적합한 노즐 개발과 펌프 방식이 함께 고려되었다. 연구를 통해 성능을 개조한 펌프와 노즐은 높이 2.5m의 터널형 태로 구축한 Mock-up 타설시험을 통해 시험하여 성능을 검증하였다. Mock-up 타설시험에서 는 분진, 리바운드, 타설시간을 함께 검토하여 실제 현장 시공 시 발생할 수 있는 문제점 등을 사전에 검토하였으며 개발된 재료와 펌프의 성능을 가늠할 수 있는 방안으로 고려되었다(그림 2.2).

성과점검기준 액상+분말 2성분 분말 1성분

구축장비

[성과목표]

장비중량 < 500 kg 약 65 kg 약 120 kg [성과목표]

호퍼 체적 > 40 ℓ 70 ℓ 45 ℓ

표 2.8 재료 맞춤형 장비 구축 현황

1.2m 7m

2.5m

그림 2.2 Mock-up 타설시험을 위한 프레임 구성 및 구축

Mock-up 타설시험 중의 분진 측정 결과. 기본적으로 타설 당시의 기후 조건 상, Mock-up 시험 현장에 미세먼지가 많은 상태였으며, 특히, 타설장비 작동 시에 사용되는 압축공기로 인 해 바닥에 존재하는 먼지가 날리게 되어, 멤브레인 타설 시공 시에 분진 발생량이 다소 증가하 였다. 그러나 시공 경과에 따라 미세먼지 PM 10은 급격히 증가했다가 다시 줄어드는 것으로 나타났다. 초미세먼지 PM 2.5의 경우에는 시공과 동시에 분진 발생량이 다소 감소된 것으로 측정되었으나 그 차이는 크지 않았다(표 2.9). 즉, 멤브레인 타설로 인한 분진 발생의 뚜렷한 증가가 본 시험에서는 관찰되지 않았다. Mock-up 타설시험의 타설면적은 17.28 ㎡이었으며 타설시간은 0.2시간으로 기록되어, 타설속도는 86.4 ㎡/hr로 산출되었다. 그러나 타설 작업 후 에 습식 두께 측정기를 통해 타설 두께를 측정한 결과는 2.51±0.28 mm로 나타나, 두께 3 mm 로 환산한 멤브레인의 타설속도는 73.75 ㎡/hr로 환산되어 연구에서 제시한 타설장비의 목표 타설속도와 분진농도를 달성하였다.

시험타설 및 분진측정 타설속도 및 분진측정 결과

측정결과 73.75 ㎡/hr > 목표 50 ㎡/hr 분진 20 μg = 2 mg << 목표 5 mg

표 2.9 타설장비의 목표 타설속도(시험타설)

(4) 현장 시공 실적

(가) 멕시코 Boleo Mine(한국광물자원공사 운영) - 2성분 재료

1차년도에는 계획 외로 해외 현장에서 2성분 시작품을 사용하여 시험시공을 실시하였다. 적용 대상 현장은 한국광물자원공사에서 운영하고 있는 Boleo Mine(멕시코 산타로살리아 소재)으 로서, 구리, 코발트, 망간 등을 생산하고 있는 대규모 광산이다. Boleo Mine에서는 굴착으로 인 한 유입수 발생이 큰 조건은 아니지만, 굴착 직후에는 암반이 자립하나 약 1주일 경과 후부터 암반 내에 포함된 수분이 증발하면서 강도가 약해지는 특징을 가지고 있다. 즉, 시간 경과에 따라 수분이 마를수록 굴착 암반의 강도가 일시적으로 증가하다가 최종적으로는 급격히 감소 하여 파괴되는 특징을 가지고 있다. 이로 인해 다수의 갱도에서 붕락 또는 붕괴가 발생하고 있 는 상황이며 굴착 반경이 크지 않아 숏크리트나 지보재 시공이 제한적이다.

이를 해결하고자 Boleo Mine에서는 굴착 암반(Manto층)의 건조 방지를 위해 1차로 건식 숏크 리트 타설을 시도하였으나, 건식인 관계로 분진이 크게 발생하여 굴진 사이클에 큰 지장을 주 어 현재는 숏크리트를 적용하지 않고 있다. 특히, 갱도의 폭이 약 2.5 m에 불과하여 비교적 대 형 타설장비가 필요한 습식 숏크리트의 타설이 불가능한 상황이다. 따라서 Boleo Mine에서는 Manto층의 보호를 위해 숏크리트를 대체할 수 있는 공법이 필요한 상황이다. 즉, 강도가 크진 않더라도 암반 내부의 수분이 마르는 것을 방지하여 굴착 암반의 부피 팽창 및 붕락을 예방할 수 있는 방안이 필요하여, 이의 일환으로 차수용 박층 멤브레인의 시험시공을 요청하였다.

본 현장시공의 목적은 암반 내에 포함된 수분의 증발을 억제하여 굴착공의 안정성을 유지하 는 것으로 협소한 공간에서도 분진 발생이 낮은 2성분 재료를 사용하였다. 대상 시공 면적은 약 200㎡이다. 표 2.10은 타설전 갱도 내부와 멤브레인 타설 직후 그리고 타설 후 멤브레인 시 공 구간의 모습을 나타낸다. 본 연구에서 개발한 재료 사용으로 인해 노출 암반의 수분 건조 방지효과로 갱도 안정성 확보에 기여하였다.

타설 전 갱도 내부 멤브레인 타설 직후 멤브레인 구간 (붕괴 없음)

표 2.10 멕시코 Boleo Mine 현장 시공

(나) 대규모 지하굴착 현장 - 2성분 재료

2차 시작품의 현장 타설시공이 이루어진 현장은 경기도 화성시에 위치한 ㈜○○산업의 대규모 지하굴착 현장으로서, 상업용 지하공간 시설로서 활용을 모색하고 있는 현장이다. 평균 일축압 축강도가 100 MPa 이상으로서 경암으로 분류되는 규석으로 구성되어 있기 때문에, 암반의 지

지력을 최대한 활용하여 폭 12 m 및 높이 9 m의 직사각형 굴착공간들을 약 10 m × 10 m의 격자형 암주(rock pillar)들로 지지하는 주방식 공법(room-and-pillar method)으로 굴착공사가 이루어지고 있다. 그러나 굴착공간을 상업용 지하공간 시설로 활용하기 위해서는 지하수 유입, 특히 우기 시에 집중적으로 유입되는 지하수 유입을 방지할 필요가 있으며, 일부 절리, 균열 등이 다수 포함된 취약 암주를 보호할 필요성이 제기되었다. 표 2.11은 해당 현장에서 타설 장 면과 타설 후 타설면 현황을 나타낸다.

현장 규모 현장 시공 위치

폭 12 m

높이 암주 암주 암주 9 m

타설장면 타설면 현황

표 2.11 대규모 지하굴착 현장에 대한 현장 시공(2성분 재료)

굴착된 연장 약 10 m 구간의 주방식 지하공간에 대해 약 200 ㎡를 타설하였으며 이에 소요된 재료 믹싱 및 타설시간은 3.56시간으로서 타설속도는 56.2 ㎡/hr로 기록되었다. 현장과의 협의 를 통해 당 현장에서도 천정부와 암주의 중간 지점까지 두께 3 mm로 멤브레인을 타설하였다.

차수용 박층 멤브레인 2차 시작품을 타설한 후 1일 경과 시에 측정한 쇼어 A 경도는 73±17.04 로서, 실험실 조건에서 측정된 경도값과 비교할 때 편차는 다소 컸지만 현장의 평균 쇼어경도 는 실험실 평균 쇼어경도와 거의 유사하게 측정되었다. 앞서 언급한 바와 같이 멤브레인 타설 구간에 대해서는 시공 중에 습식두께측정기에 의해서 주요 지점별로 타설 두께를 확인하면서 평균 두께 3 mm 타설을 목표로 시공을 실시하였다. 타설 작업이 완료된 후, 총 26개 측점에서 건식두께측정기로 기록된 타설두께는 2.92±0.90 mm로서 목표 두께에 부합되도록 타설되었음 을 알 수 있다. 멤브레인 타설로 인한 분진 농도는 타설 전 94.8 μg(PM 2.5) 및 869.9 μg(PM 10) 였으며 타설 후 95.3 μg(PM 2.5) 및 874.5 μg(PM 10)여서 유의미한 증가는 없었다. 또한 현재까지 타설 구간에서 누수 및 박리/바락은 발생하지 않았다.

(다) 대규모 지하굴착 현장 - 1성분 재료

본 연구에서는 앞선 대규모 지하굴착 현장의 요청에 의해 개발된 분말형 1성분 멤브레인 시작 품의 현장시공을 실시하였다. 해당 현장에서는 대규모 지하공간 사업을 준비하고 있는 상황에 서 현장 내부로 다량의 유입수가 발생하여 운영에 어려움을 겪고 있는 상황이었다. 특히, 상부 에 민가가 위치하고 있어 지속적으로 유입수가 발생할 경우 지반함몰이나 지반침하가 우려되 는 상황이었다. 반면, 굴착하고 남은 암반을 기둥으로 사용하는 주방식공법(柱房式工法, Room -and-Pillar Method)으로 공간이 구성된 관계로 기존의 시트 방수 멤브레인과 콘크리트 라이 닝의 시공이 어려운 조건이다. 또한 지표나 현장 내부로부터의 차수 그라우팅의 시공도 어려 운 상황이었다. 다량 유입수 발생 구간에 대해 공간의 규모를 고려하여 타설속도가 빠른 분말 형 1성분 멤브레인 시작품 (두께 5 mm)을 시공하였다. 현장의 지반조건은 Type III(보통암)으 로 분류되며 시공구간의 심도는 지표로부터 약 30 m에 위치해있다(표 2.12).

연구에서 개발한 분말형 1성분 멤브레인 시작품은 물과 1:3의 비율로 Meyco Piccola 장비를 이용하여 타설되었다. 시공구간에 대해 기록된 멤브레인의 타설속도는 약 94 ㎡/hr로서 ITAte ch(2013)에서 추천하고 있는 타설속도인 50 ㎡/hr의 약 2배 가까운 속도를 기록하였다. 타설 시공 중에 습윤 두께를 확인하여 전체적으로 평균 약 5 mm의 타설이 이루어지는지를 점검하 였다. 동절기인 관계로 숏크리트의 타설이 가능한 수준인 쇼어경도가 50 이상 발현되는 것을 확인한 후에 , 앞서 본 연구에서 제안한 합성 숏크리트 구조체의 설계패턴 형태대로 약 5 cm 두께의 마감 숏크리트를 시공 완료하였다. 시공 완료 후 현재까지 시공구간에서 유입수는 발 생하지 않고 있는 상황이며, 본 연구에서 영구적으로 설치한 계측시스템에 의해 시공구간의 변위 발생과 작용 수압을 지속적으로 모니터링을 수행중이다. 또한 연구에서 제시한 현장 부 착강도는 28일 경과 시 2.5 MPa로 성과목표인 1 MPa을 상회하는 것으로 나타났다.

타설전 상황 멤브레인 타설장면

멤브레인 타설 후 (6개월 경과 후) 숏크리트 마감층 타설시공

표 2.12 대규모 지하굴착 현장에 대한 현장 시공(1성분)

(라) 가시설 현장(지하철 정거장)에 대한 현장시공 - 1성분 재료

차수용 박층 멤브레인 완성품의 현장 시공이 이루어진 현장은 경기도 구리시에 위치한 ○○건 설의 지하철 건설현장으로서, 터널 굴착 및 정거장 건설이 이루어지고 있는 현장이다. 굴착 현 장은 정거장이 설치될 예정구간으로 상부에는 대규모 아파트 단지가 조성되어 있어 굴착구간 의 벽체보호와 상재하중을 고려하여 굴착공사에서 토압에 대한 변위를 최소화하는데 유리한 CIP(Cast In Place Pile)공법이 적용되어 있으며, 그 설치 심도는 약 25m 이다. 지하철 굴착현 장은 인근에 인공호수와 우기 시 유입수로 인하여 다량의 지하수 유입이 이루어지고 있으며, CIP 공법 설치시 배면에 차수공법이 적용되어 있으나 일부 지하수가 굴착현장으로 유입되는 상황이었다(표 2.13). 해당 굴착공간을 정거장이 설치될 구간으로 지하수 유입, 특히 우기 시에 집중적으로 유입되는 지하수 유입을 방지할 필요가 있고 따라서 추가적인 차수공법이 적용될 예정이다.

타설전 상황 멤브레인 타설장면

표 2.13 지하철 정거장 가시설 현장에 대한 현장 시공(1성분)

멤브레인 쇼어경도 측정 멤브레인 타설구간 (유입수 없음)

지하철 정거장 설치를 위해 굴착되고 가시설(CIP 공법)이 시공된 약 높이 2.5× 폭 5m 구간의 지하공간에 대해 차수 박층 멤브레인 완성품 약 12.5 ㎡를 타설하였으며 이에 소요된 재료 믹 싱 및 1~2차에 걸친 타설시간은 총 12분으로서 타설속도는 62.5 ㎡/hr로 기록되었다. 차수용 박층 멤브레인 완성품을 타설한 직후 측정한 쇼어 A 경도는 17±1.0이며, 1일 경과 시에 측정한 쇼어 A 경도는 62.33±1.52, 8일 경과 시에 측정한 쇼어 A 경도는 74.33±0.58로서, 실험실 조건 에서 측정된 경도값과 비교할 때 현장의 평균 쇼어경도는 실험실 평균 쇼어경도에 비하여 습 한 현장 조건에 의해서 다소 천천히 경화되는 것으로 측정되었다. 멤브레인 타설 구간에 대해

서는 평균 두께 3 mm 타설을 목표로 시공을 실시하였으며, 타설 작업이 완료된 후, 총 4개 측 점에서 습윤 두께 측정에서 타설두께는 4.33±0.58 mm로서 목표 두께에 부합되도록 타설되었 음을 알 수 있다. 또한 현장에서 측정된 차수 박층 멤브레인의 리바운드 량이 약 0.96 kg으로 서 총 타설량 50 kg의 1.92%로 리바운드 기준 5% 보다 적은 것을 알 수 있다.

(마) 현장시공 결과

연구에서 수행한 현장시공은 해외 광산 현장, 국내 굴착 현장 및 지하철 정거장 가시설을 대상 으로 총 4회 수행하였으며 그 결과를 요약하면 표 2.14와 같다. 결과에서 나타나듯이, 성과지표 로 제시한 목표치를 모두 초과 달성하였으며 시공한 멤브레인을 통해 지하수가 발생하는 현장 은 없었다.

현장명 성과지표 목표치 달성치

멕시코 Boleo Mine A-6① 타설속도 > 50 ㎡/hr 60 ㎡/hr 대규모 지하굴착

현장 #1

A-6① 타설속도 > 50 ㎡/hr 56.2 ㎡/hr B-4② 방수성능 Zero water penetration Zero water penetration 대규모 지하굴착

현장 #1

A-6① 타설속도 > 50 ㎡/hr 94 ㎡/hr B-4② 부착강도 ≥ 1 MPa 평균 2.5 MPa B-4② 방수성능 Zero water penetration Zero water penetration 00건설

지하철 정거장 현장

A-6① 타설속도 > 50 ㎡/hr 94 ㎡/hr

A-6② 리바운드 ≤ 5% 1.92%

B-4② 방수성능 Zero water penetration Zero water penetration 표 2.14 현장시공 결과 요약(성과점검기준표 점검기준 비교)

(5) 경제성 분석

연구에서 개발한 차수용 박층 멤브레인 재료의 경제성 분석은 원가계산을 토대로 수행되었다.

원가계산은 2019년 6월-2020년 1월을 기준으로 작성되었으며 제조이전원가, 제조원가, 설치 원가를 고려한 취득원가와 운영비, 유지보수비를 포함한 사용원가, 폐기물처리, 매각처분액 등 의 폐기원가를 고려하여 분석하였다. 원가계산 중 노무비 계산을 수행하기 위해 가정한 주요 조건은 1) 개발된 제품을 생산하기 위한 현재 국내 공장 시설물 이용단가(대규모 생산시설을 갖추지 않은 조건), 2) 유사한 시공 방식을 사용할 경우 동일한 노무비 적용, 3) 외국인 기술자 사용 배제 등이다.

연구에서 개발한 재료와 대표적인 수입제품을 비교한 결과는 표 2.15에 나타냈다. 재료비의 경 우 수입제품 대비 1성분에서 20.7% 절감되는 것으로 나타났으며 2성분에서 13.6% 절감되는 것으로 나타났다. 2성분은 분말과 액상 형태의 재료를 혼합하여 분사하는 방식으로 액상형 재 료로 인해 별도의 케이스(플라스틱) 제작비가 소요되므로 재료비면에서 1성분에 비해 증대된 다. 결과에서 제시한 노무비와 경비는 시공을 위한 작업자의 인건비와 크레인 및 분사 기구 등 의 장비에 대한 사용료를 ㎡당 가격으로 표시한 것으로 비교 대상이 되는 수입품과 1성분의 시공방식이 유사하기 때문에 동일한 단가를 사용하였으며 2성분의 경우 1성분과 다른 별도의 펌프를 사용하나 상대적으로 소형 장비를 사용하기 때문에 경비 측면에서 1성분에 비해 낮게 책정된다. 전체적인 ㎡당 시공단가를 비교했을 때에는 비교 대상인 수입품에 비해 1성분에서 17.9% 절감되었으며 2성분에서 12.6% 절감되는 것으로 나타났다. 재료비의 경우, 국내에서 대 규모 생산시설을 갖추고 있지 않고 소규모 생산하는 점을 감안해야 하며 노무비의 경우에도 수입 제품에는 외국인 기술자를 고용하는 형태를 고려하지 않아서 실제 국내에서 대규모 굴착 공사에서 사용되었을 때 보다 경제성있는 시공단가 책정이 가능할 것으로 판단된다. 즉, 본 경 제성 분석에서는 수입제품에 대한 고려에서 동일한 노무비를 책정했을 경우를 가정한 것으로 수입제품이나 개발 제품의 실제 시공 실적이 나타난 이후 직접적인 시공단가 비교가 가능할 것으로 판단된다. 또한 국토교통부 『터널설계기준』의 차수/방수재료에서 차수용 박층 멤브 레인을 포함하는 내용을 포함하는 개정안이 심의 의결을 앞둔 상황으로 향후 국내에서도 연구 개발 성과품의 사용 실적이 증가할 것으로 예상된다.

제품 재료비 노무비 경비 순공사원가

A사(수입품) 36,309원/㎡ 2,731원/㎡ 2,893원/㎡ 41,933원/㎡

완성품(1성분) 28,809원/㎡

(20.7% 절감) 2,731원/㎡ 2,893원/㎡ 34,433원/㎡

(17.9% 절감) 완성품(2성분) 31,359원/㎡

(13.6% 절감) 2,731원/㎡ 2,560원/㎡ 36,650원/㎡

(12.6% 절감)

표 2.15 외국산 제품 대비 가격절감율 비교

*순공사원가 : 원가계산서에서 일반관리비와 이윤을 제외한 재료비, 노무비, 경비의 총합.

나. 무시멘트 고화제 활용 동시주입 공법 개발

(1) 다중 동시주입용 펌프와 시공관리 프로그램 기술 분석

(가) 그라우팅 시공관리 모니터링 분석

지반을 보강하는 그라우트 재료가 지중 내에서 실제로 어떻게 거동하는지를 아는 것은 매우 어렵다. 그라우트재의 거동을 시공 중에 확인하는 방법도 있으나 그렇게 하기 위해서는 고도 의 기술 및 장치가 요구되며, 상당한 비용이 발생한다. 그라우팅에 의해 지반이 보강된 것을 확인하기 위하여 공사 완료 후 지반을 굴착하여 그라우팅된 지반을 관찰할 수 있지만 그것도 결과적으로 한 부분의 관찰이다. 따라서 공사 중 주입압 또는 주입량의 변화 등 간접적인 정보 를 통해 그라우팅 재료의 거동을 유추함으로써 순간적으로 변화하는 지반의 반응에 대응하는 것이 시공관리기술의 기본이다. 그러나 이는 기술자의 시공경험 및 능력에만 의존되어왔기 때 문에 언제나 사람에 의한 오차가 잠재적으로 존재해왔다.

최근에는 이를 보완하기 위하여 기술자의 능력에 상당히 의존하던 과거에서 벗어나 상당 부분 을 자동화 기계장치를 이용하여 시공관리 기술을 대체하는 형태이므로, 본 연구에서도 이러한 흐름에 맞추어 국내외 그라우팅 시공관리 모니터링 기술을 분석하여 품질에 대한 주요 영향인 자를 도출하는데 그 목적이 있다.

본 연구에서의 그라우팅 시공관리 모니터링의 분석목적은 기술자의 능력에 의존하던 과거에 서 벗어나 국내·외 그라우팅 시공관리 모니터링 기술을 분석하여 품질 주요 영향인자를 도출 하였다. 분석대상은 고압분사 공법, 기계교반식 혼합공법 및 컴팩션 그라우팅 공법별 분석과 더불어, 우리나라를 비롯한 주요 국가별(총 3개국) 그라우팅 시공관리 모니터링 인자를 도출하 였다.

본 연구에서는 시공관리 모니터링에 필요한 인자를 도출하기 위하여 1) 그라우팅 결과에 영향 을 미치는 주요 요소를 확인하였으며, 2) 시공의 전반적인 품질을 관리하기 위해 모니터링 되 어야 하는 관리 요소들을 확인하였다. 궁극적으로 1), 2)에 나타난 모든 요인들이 시공관리를 위해 모니터링해야 하는 인자들로 볼 수 있으며, 대상구조물의 목적에 맞게 보강효과가 충분 하게 시공이 행해졌는지를 관리하는 것을 목적으로 하고 있다. 시공관리에 영향을 미치는 요 인은 수없이 많지만, 시공관리 항목을 요약하면 표 2.16과 같다.

항목 상세 일본 연안기술 연구센터

ASCE 미국 -Institute Geo

대한민국 해양수산 부 주입 심도 현재 심도를 측정하여

정확한 위치에서 주입 O O

주입 시간 시간에 따른 각 시공인자의

변화 확인 및 관리 O O

주입재 배합 주입재의 유동성 확인

(충분히 저유동성이어야 함) O O O

주입재 정량 계량을 통해 정확한 양으로

배합하여 주입재 생산 O

주입량 설계된 양에 맞게

정확한 양이 주입되었는지

확인 O O O

(반발압) 주입압 지반 반발압에 따른

지반의 다짐 효과 확인 O O O

주입속도 충분한 간극수압 소산시간을

확보하는지 확인 O O

주입공 배치, 간격

현장 조건에 맞추어 설계를 통해 해당 지반의 개량 목적

달성 O O

표 2.16 다중 동시주입 그라우팅 시공관리 모니터링 인자

공법의 개발에서는 위의 항목에 대해서 충분히 검토하고, 관리하는 것에 따라 효율적이고 효 과적인 그라우팅이 될 수 있도록 시공하는 것이 대단히 중요하다. 본 연구를 바탕으로 간접적 으로 품질을 확보할 수 있는 모니터링 시스템 장비 개발이 필요하다.

(나) 다중 동시주입 그라우팅용 펌프 성능평가 분석

그라우팅용 펌프의 분석목적은 국내 컴팩션 그라우팅 요구조건들 종합적으로 검토하여, 저유 동성 모르타르 주입공법에 적합한 펌프의 성능 요구조건을 도출하는 것이다. 저유동성 모르타 르를 주입하는 대표적인 공법으로 컴팩션 그라우팅 공법이 있는데, 본 공법은 국내 여러 현장 에서 시공된 경험이 있으며, 현재에도 꾸준히 여러 현장에서 시공이 이루어지고 있다. 연약지 반개량, 구조물 보강공사, 차수공사, 항만공사 등 다양한 종류의 현장에서 활용되어 왔으며, 최 근 특히 주로 항만 시설물 내진보강공사에서 많은 수요가 발생하고 있다. 이와 관련하여 해양 수산부는 2016년 4월 「항만 및 어항 설계기준․해설 재개정 전문」 일부를 개정하면서 저유 동성 모르타르 주입공에 대한 시방 내용을 신설하여 컴팩션 그라우팅 공법의 품질을 확보할 수 있도록 하였다. 또한 다른 국가기관 및 공공기관 발주 공사 시방서에서도 마찬가지로 기준 들이 제시되어 있다. 정리하면 다음과 같다.

- 항만 및 어항 설계기준․해설 재개정 전문

 주입 재료의 슬럼프: S ^≤ 5 cm

 펌프의 주입속도: 0.06 m³/min - 국가기관 및 공공기관 시방서

 마산항 내진성능 보강공사 (2013년) : 펌프 주입압 210 kgf/cm², 슬럼프 5~10 cm

 군산항 부두시설 내진보강공사 (2014년) : 펌프 주입압 210 kgf/cm², 슬럼프 5~10 cm

 여수신항 보강공사 (2015년) : 펌프 주입압 210 kgf/cm², 토출량 0.006 m³/stroke, 슬럼프 5~7 cm

재료 특성 펌프 특성

모르타르의

유동성 주입 속도 주입 압력 다중 분사

슬럼프 7 cm 미만 0.006 m

/stroke 이하 210 kg/cm

이상 다중 분사 형태로 개량이 가능하여야 함

표 2.16 저유동성 모르타르 주입공법에 적합한 펌프의 성능 요구조건

컴팩션 그라우팅 공법은 저유동성 모르타르를 주입하여 주변 지반을 압축강화시킴으로써 보 강하는 기술이다. 이때 주입이 적절하게 이루어지지 않으면 컴팩션 그라우팅을 성공적으로 수 행할 수 없다. 컴팩션 그라우팅은 공법의 특징 상 제품의 형성과정 및 완성품의 형태를 직접적 으로 확인하기 어렵다는 점이 있으므로 주입에 따른 결과 자료를 얻기가 쉽지 않다. 또한 개발 되어 현장에 적용된 역사가 그리 오래되지 않은 관계로 공학적 인자들에 대한 이론적 고찰이 아직 부족한 실정이다. 따라서 현재까지의 컴팩션 그라우팅 공법은 관련 전문가의 경험적 고 찰에 상당한 의존을 할 수밖에 없다.

본 연구에서는 연구에 적합한 펌프를 선정하기 위하여 CGS 공법(덴버 그라우팅 시스템)을 개 발하여 수십년간 다양한 현장에서 경험을 쌓은 미국의 Sam Bandimere(덴버그라우팅社 CEO) 에 자문을 구하였으며, 또한 관련 문헌조사를 수행하여 펌프가 갖추어야할 세부적인 조건들을 확정할 수 있었다. Sam Bandimere는 이메일을 통해 컴팩션 그라우팅에 대용량의 콘크리트펌 프가 사용되기는 어려울 것이라고 언급하였다. 왜냐하면 주입되어야 하는 저유동성 모르타르 의 속도가 충분히 작아야하는데, 용량이 큰 펌프를 낮은 속도로 주입하면 압력이 저하되면서 펌프의 유압계통 장치에 과부하를 발생시킴으로써 정상적인 펌프 구동이 어려울 것이라는 의 견이었다. 또한 그는 펌프 실린더의 크기가 매우 중요하다고 언급하였으며, 4 inch의 실린더 직경이 적절하다고 하였다. 그 외에도 Sam Bandimere는 그의 학술회의 논문에서 컴팩션 그라 우팅용 펌프가 갖추어야할 조건에 대해서도 언급하였는데, 20 yd³/hr이상의 토출량, 1500 psi 이하의 압력을 갖는 펌프는 컴팩션 그라우팅공법에 활용하기가 적절하지 않다고 언급하였다.

(Bandimere, 2012) Sam Bandimere 뿐 아니라 ASCE의 Compaction Grouting Guide Committ ee에서 2010년에 발표한 ‘Compaction Grouting Consensus Guide'에서도 그라우트 펌프가 갖 추어야할 필요조건으로 0.2~2 ft3/min이며, 동시에 실린더 직경이 큰 경우 토출 속도가 적절하 지 않다고 언급하였고, Grouting and Deep Mixing에서 펌프의 1회 토출량이 7.08 litre로 42.5

litre/min의 속도로 주입하도록 권장하고 있다. 또한, 일본에서 一般 財團法人 연안기술연구센 터에서 컴팩션 그라우팅 공법을 2013년 발간한 내용중 펌프 토출 속도는 평균 30~50 litre/m로 주입하여 시공한다는 내용도 언급하였다. 자문내용을 바탕으로 조사한 국․내외 주요 펌프사 양은 아래 표 2.17과 같다.

구분 NARD

NCPT60

PUTZMEISTE TK20 R

REED B20 REED B20HP 펌프 토출압

(bar) 130 138 114 210

실린더 직경

(inch) 7 4.5 4 4

실린더 길이

(inch) 36 30 36 36

1회 토출량

(m

/stroke) 0.036 0.007 0.006 0.006

표 2.17 주요 펌프 사양 비교

주요 펌프들의 사양을 표 2.17을 통해 비교한 결과, 먼저 토출압을 만족하는 모델이 REED社 의 B20HP모델밖에 없었다. 또한 실린더 직경의 경우 NARD社 및 PUTZMEISTER社의 제품 은 각각 7, 4.5 inch를 나타냄으로써 실린더가 기준치를 상회하는 것으로 나타났다. 그에 반해 REED社의 두 제품은 모두 4 inch로 기준과 동일한 크기의 실린더 직경을 갖는 것으로 확인되 었다. 종합적으로 1회 토출량을 계산한 결과 실린더 직경 기준치를 만족한 REED社의 두 제품 만 토출량 기준 0.006 m³/stroke을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 REED B 20HP 모델을 연구개발 대상 펌프로 선정하였다.

요구조건 REED B20HP model 성능 적합여부 슬럼프: 7 cm 이하 저유동성 모르타르 토출 가능

재료분리평가정수: 2.5 이하 저유동성 모르타르 토출 가능

펌프내 압력: 210 kg/cm

이상 210 kg/cm

의 압력 요구조건 만족

토출량: 0.006 m

/stroke 이하 0.006 m

/stroke의 토출량 요구조건

만족

표 2.18 컴팩션 그라우팅 펌프의 요구조건 대비 성능 검토내용

(다) 선행기술 분석

무시멘트 고화제를 활용한 다중 동시주입 공법의 장벽기술 및 유사특허 확인을 위하여 각 국 의 선행기술의 특허를 분석하였다.

다중 동시주입 차수 및 보강기술의 연도별 추이를 살펴보면 전체적으로 특허출원량이 증가하 는 양상을 나타내고 있다. 한국의 경우 전반적으로 꾸준한 출원량의 증가세를 보였으며, 2013 년과 2014년에 18건씩으로 출원량이 가장 많았으며, 일본의 경우 2001년에 25건으로 가장 많

은 특허출원을 하였으나 다소 주춤하다가 2013년에 22건으로 다시 증가하는 양상을 보이고 있 다. 2000년도 초반에는 일본의 출원량이 월등이 많았으나, 최근에는 한국의 출원량이 일본을 넘어 서는 것으로 나타나 이 분야에서의 최근 연구개발이 한국에서 가장 활발한 것으로 분석 되었다. 미국의 경우 출원량이 상대적으로 미미하였으나, 출원량은 꾸준히 증가하고 있는 것으 로 나타났다. 특허 공보별 점유율은 일본 431건(61 %), 한국 166건(24 %), 미국 108건(15 %) 순으로 나타났다(표 2.18).

다중 동시주입 차수 및 보강기술 관련 연도별 출원 동향 및 특허점유율

무시멘트 및 친환경 고화제 관련 연도별 출워 동향 및 특허 점유율

표 2.18 다중 동시주입 차수 및 보강기술/무시멘트 및 친환경 고화제 제조기술 관련 특허동향

무시멘트 및 친환경 고화제의 연도별 추이를 보면 전체적으로 특허출원량이 증가하는 양상을 나타내고 있다. 한국의 경우 전반적으로 꾸준한 출원량의 증가세를 보였으며, 2006년을 기점으 로 출원량이 급격히 상승하였으며, 2012년에 44건으로 출원량이 가장 많은 것으로 나타났다.

일본의 경우 2000년에 관련 기술에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어진 후, 조정기를 거쳐 20

06년 이후로 증가하는 추세를 보였으며, 2014년에 18건으로 가장 많은 특허 출원이 이루어진 것으로 파악되었다. 미국의 경우 출원량이 상대적으로 미미하였으나, 미약하나마 증가세를 나 타내고 있다. 특허 공보별 점유율은 한국 283건(53%), 일본 172건(33%), 미국 74건(14%) 순으 로 나타났다(표 2.18).

국내의 주요 특허권자는 씨엠디기술단, 전남대학교산학협력단, 한국건설기술연구원, CONST R RES & TECHNOLOGY GMBH, UNITED STATES GYPSUM COMPANY, ASAHI GLA SS, UBE, DOW GLOBAL TECHNOLOGIES, CHUGOKU ELECTRIC POWER 등으로 파악 되었다. 각국의 주요 특허권자 상위순위(top 10내)를 살펴본 결과, 한국기업이 상위 Top 5에 4개 기업이 선점하고 있는 것으로 나타나, 한국에서 무시멘트 및 친환경 고화제 기술에 많은 관심을 갖고 연구가 이루어진 것으로 나타났다. 국가별 기술혁신 리더로는 한국은 주식회사 씨엠디기술단(KR), 일본은 ASAHI GLASS(JP), 미국은 HALLIBURTON ENERGY SERVIC ES(US)인 것으로 나타났으며, 3개국 모두 자국출원인의 출원량이 가장 많은 것으로 나타났다.

(2) 다중 동시주입 공법 관련 기술 기반 구축

다중 동시주입 공법의 개발 기반을 구축하기 위하여 관련 공법에 대한 조사 연구를 진행하였 으며 이를 향후 개발되는 다중 동시주입공법 설계(안) 제시의 기초자료로 활용하였다. 첫 번째 로 무시멘트 고화제 다중 동시주입 공법의 설계(안)을 제시하기 위한 기반 마련을 위하여 최신 국내외 관련 42건의 그라우팅 공법에 대해 조사를 수행하고 분석을 수행하였으며, 특히 본 연 구 목적의 근간이 되는 컴팩션 그라우팅 공법(CGS 공법)에 대하여 평가 및 분석을 수행하였 다. 42건의 그라우팅 공법에 대한 조사 결과를 [별첨] 연구수행주요내용에 수록하였다. 분석한 내용을 차수 목적의 그라우트재 주입공법 설계의 일반사항을 정리하였다. 다음으로 다중 동시 주입 공법 적용에 따른 지반개량 영향범위 산정을 위하여 기존 상용되는 지반 개량 산정법 5 건에 대한 검토 및 분석을 진행하고, 그 한계점을 제시하였다. 마지막으로 지반개량 영향범위 산정식 개발에 있어서의 공팽창이론의 적용성 평가를 위하여 이론 관련 선행연구를 분석하고, 예비 수치해석과의 비교를 통해 이론의 지반개량 정도 및 범위 산정에 있어서의 이론의 적용 가능성을 검토하였다. 상기 수행된 기반 연구는 공법 적용에 따른 개량 후 변위, 강도, 간극수 압 변화뿐만 아니라 본 세부 목적인 굴착시 지반 차수성능 향상에 부합하도록 굴착시 배면의 지반 개량에 따른 지반의 차수 성능향상 및 평가를 목적으로 데이터베이스 구축이 수행되었 다.

(3) 다중 동시주입용 펌프와 시공관리 프로그램 시작품 개발

(가) 모니터링 시스템 시작품

본 연구의 2차년도에서는 국내‧외 그라우팅 시공관리 모니터링 시스템을 분석하였으며 현장 관리가 필요한 주요 영향인자 (ASCE. 2010; 一般財団法人, 2013; 해양수산부, 2016)를 도출하 였다. 이에 따라 3차년도에서는 도출된 영향인자를 반영한 실시간 품질관리 시스템과 실시간 현장영상 모니터링이 가능한 실시간 원격 시공관리 모니터링 시스템 시작품을 제작하였다. 그

림 2.3에 시스템의 개요도를 나타내었다.

그림 2.3 실시간 품질관리 및 현장 모니터링 시스템 개요도

그림 2.3의 시스템은 주입 시 반드시 관리해야 하는 제 요소들을 계측 및 모니터링 할 수 있도 록 하였다. 국내‧외 문헌 및 시방기준을 참고하여 도출한 주입관리 요소인 주입시간, 주입압 력, 주입량, 주입심도 등의 요소들을 디지털화된 수치로 계측 및 모니터링 하여 관리자가 체계 적이며 과학적인 동시에 정량적 관찰이 가능하도록 하였다. 또한 현장에서 관리되고 있는 모 든 형태의 데이터 및 시공 상황을 실시간으로 무선 전송함으로써 어디에서나 현장의 시공 상 황을 모니터링 할 수 있다.

과거에는 현장에서 모든 시공이 이루어지고 관련 자료들도 현장에서 기록되어 관리․감독자 들이 현장의 시공상황을 모니터링하거나 관리하는 것은 현실적으로 어려운 점이 있었다. 또한, 지반 개량시에는 일반적으로 복수의 주입공을 통한 구근 형성이 이루어진다. 그러나 기존에는 각 주입공 별로만 현장에서 시공 상황이 관리되었기 때문에, 전체 현장 차원에서 효율적인 시 공 관리가 어렵고, 후속 공정 계획 수립이 곤란하였다. 뿐만 아니라 현장에서 모든 시공이 이 루어지고 관련 자료들도 현장에서 기록되어 복수의 현장을 관리하는 총괄 관리․감독자는 현 장 작업자 또는 현장 관리자의 보고에만 의존하고 있어, 현장의 시공상황을 모니터링하거나 관리하는 것은 현실적으로 어려운 점이 있으므로 시공 완료후 구근의 품질 문제가 발생했을 경우 즉각적인 대응이 곤란하고, 장비 운용 계획 수립이 지연되는 문제가 있었다. 실시간 원격 관리 시스템은 현장에서 관리되고 있는 모든 형태의 데이터 및 시공 상황을 실시간으로 무선 전송함으로써 본사 및 원격지(모바일 단말기 사용)에서 관리·감독자가 현장의 시공 상황을 모 니터링 할 수 있도록 한다.

현장에서 안전관리자는 현장 내 각종 작업 및 시공에 사용하는 장비, 기기, 용구 등을 조사하 여 위험을 수반하는 작업에 대하여 안전규준에 따라서 작업계획을 세우고, 작업내용에 따라

안전교육을 실시하고, 장비 등에 의한 위험을 방지하기 위해 노동안전관리규칙의 안전 기준에 따라 위험방지 설비를 갖추고 이에 대해 신중히 조치하여야 한다. 또한 항시 작업상황 확인, 작업지도 외에 안전한 작업의 확보를 추진해야 하는 등 많은 업무를 소화해야 한다. 이러한 현 장여건에 온라인 시공정보관리시스템과 연계된 실시간 현장영상 모니터링 시스템을 활용한다 면 현장 이외의 장소에서도 기타 관리자가 현장의 안전사항에 대하여 이중으로 체크하여 보다 안전한 현장여건 조성하고, 장비의 고장 등 돌발상황에 대해 보다 능동적인 대처가 가능할 것 이다.

본 연구에서 개발한 시스템의 주요한 기능은 1) 현장의 시공영상을 서버로 전송, 2) 서버에 전 송된 시공영상을 온라인을 통해 외부에서 무선통신을 이용하여 송신, 3) 온라인을 통해 현장의 시공상황을 통합적으로 관리하는 것이다. 이를 위하여 각 현장 당 2대의 이동형 CCTV를 설치 하고, 돌발상황 발생 시 핸드폰 카메라를 이용하여 근접촬영이 가능하게 구성하였으며, 네트워 크의 보안을 위하여 VPN을 사용하며, 현장의 전압불안정을 고려하여 UPS를 설치하였다. 표 2.19에 실시간 현장영상 모니터링 시스템이 나타나있으며 현장 테스트를 통하여 성능을 점검 하여 지속적으로 보완, 개선하였다. 또한 표 2.19에 시간 품질관리 시스템과 실시간 현장영상 모니터링이 가능한 실시간 원격 시공관리 모니터링 시스템의 표시화면이 나타나 있다.

①현장 시공관리 시스템 ②중앙 시공관리 모니터링 시스템

③실시간 현장영상 모니터링 시스템 ④실시간 원격 시공관리 모니터링 시스템

표 2.19 실시간 품질관리 및 현장 모니터링 시스템의 주요 기능