< Previous28 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1Hyperbolic 모델을 이용한 그라우팅된 터널 및 인근 지반의 장기 강도 예측fracture 그라우팅은 고압(최대 4MPa) 하에서 고강도 그라우트재를 주입하여 원지반을 파괴시키고, 파괴로 인해 발생된 fracture 부분에 그라우트재를 주입하는 공법이며; 4) Compensation 그라우팅은 지반 굴착 및 터널 시공 등에 의해 손실된 지반부를 그라우트재를 이용하여 보상하는 공법이며; 5) Jet 그라우팅은 깊은 심도에서 흙의 침식을 유발하고, 침식된 흙과 그라우트재를 혼합하여 경화체를 만드는 공법이다. 이러한 다양한 종류의 그라우팅 공법은 다음과 같은 주요 프로젝트에서 주로 사용된다: ∙ 터널 굴착 시 연약한 지반의 강도 증진∙ 콘크리트 및 흙 댐에 대한 커튼 그라우팅∙ 기존 구조물의 방수 처리∙ 유해한 오염 물질의 확산 방지∙ 기초 판 형성∙ 오래된 댐과 터널의 재개발위에서 볼 수 있듯이 그라우팅 공법은 중요한 지하 구조물의 유지 보수에 있어 핵심 기술 또는 공법으로 사용될 수 있다.토목 공학의 역사에서, 최초의 그라우팅 공법은 프랑스 기술자 Charles Bérigny에 의해 개발되었다. Charles Bérigny는 1802년에 시멘트와 물의 현탁액을 이용하여 댐의 기초 부분 공동부를 채웠으며, 이후 그는 교량 기초의 안정화를 위해 그라우팅 공법을 적용하였다. 시간에 지남에 따라 그라우팅 공법은 광업 분야나(독일 1864년) 댐 건설 분야(영국 1876년) 등 다양한 분야에 널리 쓰이게 되었으며, 이를 바탕으로 그라우팅 공법에 대한 이해도의 증가와 함께 다양한 그라우팅 장비 개발이 이루어졌다. 합성재료를 이용한 첫 번째 그라우팅 시험은 1926년 모래 지반의 개량을 위해 수행되었으며, 1930년대 초부터 대형 댐 건설을 위해 보편적으로 사용되었다. 1960년대 이후 기술개발에 힘입어 다양한 합성재료를 이용한 그라우팅 공법이 더 활발히 사용되었으나, 1980년대 이후 현재까지 환경과 지하수 보호에 대한 전 세계적인 요구가 증가하면서, 시멘트 또는 초미립자시멘트를 이용한 그라우팅 공법이 보편화되었다.3. 시멘트의 수화 반응 및 강도의 시간 의존성포틀랜드 시멘트의 수화반응이란 시멘트가 물과 결합하여 수화물을 생성하는 과정을 의미한다. 수화반응은 시멘트가 물과 혼합되면서 입자 표면이 겔화되며 가수분해반응이 일어나고, 물이 입자 내부로 침투하여 수화가 진행되고 내부에 또 다른 수화물층을 형성하는 과정이다. 따라서 시멘트 입자 내부의 수화는 장기간에 걸쳐 이뤄지며, 시멘트 입자의 완전한 수화를 위해서는 오랜 시일이 필요하다. 이로 인해 수화작용에 의한 시멘트의 강도 증가는 시간 의존적인 경향을 나타내며, 일반적으로 시간에 따라 비선형적인 강도 증진 거동을 보인다. 다시 말하면, 수화 작용 초기에는 급속도의 강도 증진이 발생하나, 어느 한계 시간 이후에는 시간에 따른 강도 증진이 미미하다.(a) Permeation grouting(b) Compaction grouting(c) Hydro-fracture grouting(d) Compensation grouting(e) Jet grouting<그림 1> 그라우팅 공법의 종류Vol. 21, No. 1 294. 비선형 모델(Hyperbolic model)지반의 응력-변형률 간의 관계는 비선형이며, 말뚝의 하중-변위 간의 관계 역시 비선형을 나타낸다(그림 2). Chin (1970)은 하중(Q)과 변위(S) 간의 관계는 비선형이지만, 변위 / 하중과 변위 간의 관계는 선형(그림 3)으로 표현할 수 있다는 점에 착안하여, 말뚝의 극한강도(Qult)를 예측하기 위해 hyperbolic 모델을 제안하였다: 식 (1)여기서, K = y절편(그림 3) = 초기 강성(기울기). 따라서 그림 3의 기울기를 이용하여 극한강도를 예측할 수 있으며, y절편을 이용하여 K 값을 예측할 수 있다. 식 (1) 및 그림 3의 과정을 통해 예측된 변위-하중 관계는 실제 말뚝의 하중-변위 거동 및 극한강도를 높은 정확도로 예측할 수 있다(그림 2).시간(t)에 따른 고결된 시료의 일축압축강도(UCS) 증진 역시 시멘트 앞서 서술한 시멘트 수화과정에 의해 비선형적인 거동을 보이기 때문에, Chin이 제안한 hyperbolic 모델을 활용하여 그라우팅된 지반의 장기강도 또는 극한 일축압축강도(UCSult) 예측이 다음 식과 같이 예측 가능하다: 식 (2)5. 비선형 모델의 적용을 통한 장기강도 예측그라우트재 주입 후, 시간에 따른 수화진행에 따라 일축압축강도(UCS)가 증가하며, 그 증가율은 시간에 따라 감소한다. 그림 4는 Avci and Mollamahmutoğlu (2016)의 모래시료에 대한 마이크로 시멘트 그라우팅 실험 결과이다. Avci and Mollamahmutoğlu (2016)는 물-시멘트비(W/C)를 바꿔가며 일축압축강도를 장기간 측정하였으며, 시간에 따른 강도 증가를 그림 4와 같이 확인할 수 있다. 또한, 그림 4를 통해 시험 시편의 UCS는 W/C가 감소함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 W/C가 감소함에 따라 모래 입자들 사이의 고결 접촉 결합의 강도가 증가되기 때문이다. 앞서 그림 2와 유사하게, 시간에 따른 강도 증가 역시 비선형적인 거동을 보이기 때문에, 식 (2)를 이용하여, 그림 4를 그림 5로 변경하여 도시하였다. 변위, S (mm)하중, Q(kN)MeasuredEstimated<그림 2> 말뚝의 하중-변이 간 관계변위, S (mm)S/ Q(mm/kN)1Qult1/K<그림 3> Chin의 Hyperbolic 모델30 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1Hyperbolic 모델을 이용한 그라우팅된 터널 및 인근 지반의 장기 강도 예측R2 값이 모든 실험 결과에 대해 0.99 이상으로 양호한 선형관계가 있음을 확인할 수 있으며, 따라서 Chin의 hyper-bolic 모델이 그라우팅된 지반의 시간에 따른 강도 증가 및 장기강도 예측에 적용 가능함을 확인할 수 있다.그림 6은 식 (2) 및 그림 5를 통해 계산된 극한일축압축강도(UCSult)와 K값을 이용하여 예측된 UCS 값을 실제 실험 결과와 함께 도시한 그림이다. 그림 6(a)는 UCSult와 K값을 28일까지 수행된 시험 결과를 바탕으로 도출한 결과이며, 그림 6(b)는 UCSult와 K값을 14일까지 수행된 시험 결과를 바탕으로 도출한 결과이다. 28일 시험 결과를 사용하였을 시, 식 (2)를 통해 최대 오차 7.3% 이내의 UCS 예측이 가능하였으며, 14일 시험 결과를 사용하였을 시, 최대 오차 13.2% 이내의 UCS 예측이 가능하였다. 다시 말하면, 식 (2)를 활용할 경우, 14일까지의 실험 결과를 바탕으로 150일의 장기강도를 13.2%의 오차 범위 내에서 예측할 수 있다.<그림 4> 시간에 따른 그라우팅된 모래강도의 증가<그림 5> Hyperbolic 모델 적용(a) 28일 강도를 바탕으로 예측된 장기강도(b) 14일 강도를 바탕으로 예측된 장기강도<그림 6> Hyperbolic 모델을 이용한 장기강도 예측Vol. 21, No. 1 316. 맺음말말뚝의 극한강도를 예측하기 위해 제안된 Chin의 hyper-bolic 모델을 이용하여, 그라우팅된 지반의 장기강도 예측방법을 알아보았다. 본 기술기사에 소개된 식을 활용할 경우, 14일까지 측정된 일축압축강도를 바탕으로 150일의 장기 강도를 13.2%의 오차 내에서 예측이 가능하였으며, 따라서 14일까지 측정된 UCS 값과 Hydperbolic 모델을 이용하여 그라우팅된 지반의 장기강도 예측이 가능함을 확인하였다.참고문헌1. Avci, E., and Mollamahmutoğlu, M. (2016). UCS Properties of Superfine Cement–Grouted Sand. Journal of Materials in Civil Engineering, 28(12), 06016015.2. Chin, F. K. (1970). Estimation of the ultimate load of piles from tests not carried to failure. Proceedings of the Second Southeast Asian Conference on Soil Engineering, pp. 83-91.3. Han, J. (2015). Principles and practice of ground improvement. John Wiley & Sons.[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]32 자연,터널그리고 지하공간기술기사 21. 들어가는 말 - 세계 최장 강주아오대교 HZMB 해저터널홍콩과 마카오, 중국 본토인 광둥성 남부 주하이를 잇는 세계 최장 해상교량인‘강주아오 대교(港珠澳大橋, Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, HZMB)’가 지난 2009년 공사를 시작한지 9년 만에 완공되어, 2018년 10월 개통되었다(그림 1). 세계 토목역사에 이정표가 될 강주아오 대교(HZMB)는 편도 3차선(양방향 6차선)의 제한속도 시속 100m의 자동차 전용도로로서, 전체 길이가 55km로 해저와 인공섬 등을 뺀 해상 교량구간은 29km이며, 두 인공섬을 바다 밑 해저로 연결하는 해저터널(subsea tunnel)은 길이 약 7km이다. 또한 HZMB 해저터널은 설계 및 시공기술의 혁신이 인정되어 ITA(국제터널협회)주관의 2018년 올해의 터널상(Winners of the 2018 ITA Awards)에 선정되었으며, ENR 선정 2018년 최고 프로젝트(Best project, Bridge/Tunnel)상을 수상하였다.본 고에서는 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 해저터널에 대한 주요 특징을 고찰해보고 기술적 혁신 및 대책 등을 살펴보고자 하였다. 특히 인공섬과 두 인공섬을 연결하는 해저터널에 대한 주요 설계 내용과 및 시공기술을 기술함으로서 해저터널에 관심이 있는 터널 기술자들에게 기술적으로 도움이 되고자 하였다.세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신- Subsea Immersed Tunnel and Artificial Land -김영근(주)건화 기술연구소소장/공학박사/기술사Vol. 21, No. 1 33<그림 1> 세계 최장 강주아오 대교(Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, HZMB)2. 세계 최장 강주아오 대교 - HZMB 프로젝트(HZMB Project)2.1 강주아오 대교 HZMB 프로젝트 개요(Introducton of HZMB Project)총연장 55km인 강주아오 대교는 그림 2에서 보는 바와 같이 22.9km의 교량 구간과 6.7km 해저터널 구간, 터널 양쪽의 인공섬, 출‧ 입경 시설 등으로 구성되었다. 양쪽의 교량 구간과 가운데 해저터널 구간이 해상에 건설된 두 개의 인공섬을 통해 연결되었다. 해저터널 구간은 30만t급 유조선이 통항할 수 있도록 설계되었으며, 특히 해저터널은 수심 40ｍ 지점에 33개의 침매함(Immersed tube)을 연결해 만드는 고난도 공정으로 건설됐으며, 전체 길이가 6.7km로 침매터널로서는 세계 최장을 자랑한다. 세계 최장의 해저 침매터널, 세계 최장의 철골 교각 등 강주아오 대교는 세계 최고 기록을 여럿 보유하고 있다. 강주아오 대교는 본체 구조물 공사에만 40만t의 철강이 투입되었는데, 이는 프랑스 파리 에펠탑의 40여 배에 해당하는 무게이다. 강주아오 대교가 준공되기까지의 역사를 살펴보면, 1983년 우잉셰운 합화실업 회장이 주강 삼각주 서부와 홍콩을 30분 정도로 연결하는 교량을 건설해서 제조업, 관<그림 2> HZMB 구성(해상교량+해저터널)34 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신광을 발전시키자고 제안했지만 비용이 많이 든다는 이유로 실현되지 않았다. 1989년에는 주하이 시가 주하이시, 선전시를 연결하는 링딩양 대교 건설을 제안했으며, 이후 1997년에는 중화인민공화국 국무원이 링딩양 대교 건설계획을 지지했고 2002년 11월에는 주룽지 중화인민공화국 총리가 우잉셰운의 교량 건설을 제안했다. 2003년 7월에는 베이징시를 방문한 도널드 창 홍콩 행정장관이 중국 정부당국자들과 함께 해상교량 건설계획을 논의했다. 이후 기본 및 실시설계를 거쳐 2009년 12월 15일에 리커창 중국 부총리가 기공식에 참석한 가운데 공사를 시작하였으며, 이후 9년간의 공사를 거쳐 2018년 10월 24일 시진핑 중국 주석이 참석한 가운데 공식적으로 개통되었다. 그림 3에는 강주아오 대교와 관련된 발주자, 시공사 및 설계사 등이 나타나있다. 발주자Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Authority시공사China Communications Construction Company설계사AECOM Asia Company(Hong Kong)COWI A/S(Denmark)Shanghai Municipal Eng, Design Institute JVTunnel Engineering Consultants(Netherlands) Guangzhou Metro Design & Research Institute감리사Sino-railway Wohan Major Bridge Eng. JV기 타The governments of Hong KongGuangdong Province and Macao<그림 3> 강주아오 대교 HZMB 프로젝트 관련사 2.2 HZMB 프로젝트의 특성(Outline of HZMB Project)HZMB 프로젝트는 그림 4에 나타난 바와 같이 3가지 주요 요소로 구성된다. (1) 주하이 링크 로드(ZHLR) 및 주하이-마카오 국경통과시설(ZMBCF) (2) 주교량 및 침매터널(3) 홍콩 링크로드(HKLR)와 홍콩 국경통과시설(HKBCF)주교량은 같이 마카오/주하이에서 부터 서측 인공섬까지, 그리고 동측 인공섬에서 홍콩 경계까지 연결되어 있다. 교량 및 터널 구조물은 29.6km 길이의 편도 3차선(왕복 6차선) 고속도로를 수용할 수 있다. 연장 22.9km의 이 교량은 280m에서 460m 사이의 사장교로 3개의 구간을 포함하고 있으며 해저 터널은 약 6.7km로 침매함을 연결하는 침매터널공법(immersed tunnel)으로 서측 인공섬과 동측 인공섬을 연결한다.강주아오 대교 HZMB는 홍콩-주하이 또는 마카오간 차량운행 소요시간은 현재 3시간 30분에서 30분으로 단축된다. 또한 기존 해상페리로 접근하는 방법을 차량으로 직접 접근 가능하도록 상당한 교통수요를 가져올 것이며, 향후 홍콩국제공항을 확장하여 홍콩을 통해 마카오나 주하이로 보다 쉽게 갈 수 있도록 하는 목적이 있다. 또한 강주아오 대교 Vol. 21, No. 1 35HZMB 는 그림 4에서 보는 바와 같이 TMCLK 도로(Tuen Mun-Chek Lap Kok Link)와 연결되어 해저터널구간을 거쳐 구룡반도에 직접 진입할 수 있게 된다.강주아오 대교 HZMB의 기술적 난제는 홍콩 국제공항에 인접하여 교량 주탑의 높이가 제한된다는 점, 유조선을 포함한 대형 선박이 통과한다는 점, 지진과 태풍에 견딜 수 있도록 하는 안전 문제, 그리고 세계적 보호어종인 흰 돌고래 보존과 같은 환경 문제 등이다. 이러한 기술적인 문제를 해결하기 위하여 최종적으로 두 개의 인공섬을 설치하고 이를 해저터널로 통과하는 방안이 선정되었으며, 3개의 사장교는 마카오 쪽으로 계획하였다. 또한 초속 56m의 태풍과 규모 8.0지진에도 견딜 수 있도록 설계되었으며, 계획단계에서부터 시공단계에 이르기까지 철저한 환경영향평가를 수행하여 환경문제에 대한 대책을 수립하고, 이를 적극적으로 관리하도록 하였다.<그림 4> 세계 최장 강주아오 대교 HZMB의 교통망 구성3. 해저 터널의 설계와 시공(Design and Construction of Immersed Tunnel)3.1 지반공학적 특성(Geotechnical Characteristics)침매 터널의 구조설계를 위해서는 지반-구조물 상호작용이 필수적이다. 잠재적 위험 식별과 설계 최적화를 위해서는 지반공학적 조건에 대한 명확한 이해를 얻는 것이 가장 중요하다. 펄리버(Pearl River)는 홍콩과 마카오 사이의 하구를 36 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신통해 남중국해로 흘러간다. 여름철 집중호우 때 바다로 씻겨 내려온 침식물이 이 지역의 유일한 퇴적물 공급원이다. 본 구간의 전형적인 지질은 연약 해상퇴적물이다. 그 하부에는 충적토, 잔류토 및 기반암이 나타난다. 이용 가능한 지반공학적 자료로부터 그림 5에서 보는 바와 같이 터널과 인공섬의 지반조건이 상대적으로 열악하고, 지질 및 지반의 지층특성이 비교적 짧은 거리에 걸쳐 상당히 다르게 분포하는 것을 확인하였다.<그림 5> HZMB 해저터널의 기초 및 지질 종단면도본 구간의 해저 레벨은 -8m에서 -15m까지 다양하다. 두께가 10~25m인 퇴적물은 해저 밑바닥에서 발견된다. 이 토질은 점토, 점토질 점토, 모래 섞인 점토질 모래로 구성되며, 매우 연약하고, 압축성이 높으며, 정상 압밀상태로 구분된다. 퇴적물 아래에서는 두께가 다른 퇴적토가 발견된다(평균 37m, 부분적으로 102m). 이 퇴적물은 과압밀 상태로 보이며, 주로 실트질 모래, 실트질 점토, 모래 및 자갈로 구성되어 있다. 모래와 자갈은 대체로 점착토로, 퇴적물 아래에는 기반암/화강암이 있다.3.2 HZMB 해저터널 설계(Design of Subsea Immersed Tunnel) HZMB 해저터널은 설계속도 100km/h인 왕복 3차선 고속도로를 제공한다. 터널의 폭은 2×14.25m이고 수직 간격은 5.1m이다. 해저터널은 세계에서 가장 크고 가장 깊은 침매터널로, 각 방향으로 3차선의 교통량을 수용해야 하기 때문에 길이가 거의 15m에 이른다. 또한 30만 톤의 선박이 펄리버에서 안전하게 통과할 수 있도록 해발 45미터 아래에 위치해 있다. 따라서 터널은 큰 수압과 교통하중을 견딜 수 있어야 한다. 침매터널은 거친 해양환경에서 120년의 설계서비스 수명과 공사중 침매함의 운반과 거치를 위한 해상조건 및 복잡한 항법 환경 등을 고려해야하므로 해저터널의 설계와 시공에서 상당한 기술적 난제들을 포함하고 있다. 침매터널은 그림 6에서 보는 바와 같이 길이 180m, 높이 11.4m, 폭 37.95m의 33개의 프리케스트 콘크리트 박스형태로 제작된 침매함(직선 28개, 곡선 5개)으로 구성되어 있으며, 침매함 element의 무게는 76,000톤이며, 침매함의 총 연장은 약 5.7km에 이른다.Vol. 21, No. 1 37<그림 6> 침매터널의 종단면도HZMB 침매터널 설계에서, 다음과 같은 우발 하중(accidental load)을 고려하였다. ∙ 한쪽 차선에서의 폭발/충돌 - 정지 등가하중 100kPa∙ 일반 화물선을 나타내는 침몰하중 - 95kPa의 균일 하중∙ 300.000DWT 유조선(앵커자중 22t, 충격속도 9m/s)의 앵커 하중 - 133kPa의 분산하중∙ 극한의 파도와 파랑; 1000년 주기의 만조수위는 약 +4.2m∙ 지진 하중침매함의 단면은 그림 7에서 보는 바와 같으며, 차로 및 환기팬 등을 고려하여 단면 크기를 결정하였다.<그림 7> 침매함의 단면 구성그림 8에서 보는 바와 같이 인공섬의 연결되는 구간은 고압분사 젯트 그라우팅과 SCP(Sand Compaction Pile)을 이용하여 침매함 기초지반을 개량하였으며, 침매터널 기초지반에 자갈층을 타설하여 침매함의 안정성을 확보하도록 하였다.Next >