< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 특집기사 다중팽창형 급속시공 록볼트개발 를 설계하였다. ∙ 시료에 인장하중을 가하기 위하여 Incident bar 끝부 분에 Reaction mass를 부착함으로서, Impact bar 와 Reaction mass 가 충돌하여 시료에 인장하중이 적용 되도록 설계하였고 그 내용은 그림 1 및 2와 같다. (2) 시편 제작 ∙ 직접인장시험 형태로 게이지부에 변형이 집중되고 동 적인 변형속도 상태 하에서 게이지부 범위에서 변형이 균일하게 발생하도록 설계한다. ∙ SHTB 시험시스템의 Specimen holder에 동적인장 시 료를 천공하여 고정한 후, 레이저 변형률 계측기와 고 속카메라를 준비한다. ∙ 시험편의 형상과 제원은 그림 3과 같다. 나. 동적 인장 시험 (1) 시험재료 ∙ 강관은 코일단위(1개 코일 = 25ton)로 생산되고 철성 분에 대한 조성은 충분한 검토가 필요한 부분이다. 따 라서 다중팽창형 록볼트의 실용화를 위해 시험재료는 범용성이 있는 소재를 우선적으로 검증하여 동적팽창 에 적합한 강관의 기계적 성능의 기준을 검증해야할 필요가 있다. 그리하여 일반구조용 강관(STK290)부터 배관용강관(SPPS420, SPPS380) 그리고 강관의 주요 철성분에 대한 함량기준이 명확한 기계구조용강관(ST KM11급, STKM12급)까지 시험대상으로 하였다. ∙ 시험대상 강관은 번들단위(1개 번들 = 길이 6m, 30본) 로 수급하여 시험을 실시하였다. 강관들의 mill sheet <그림 1> 홉킨스바 시스템 설계도 <그림 2> 동적 인장시험용 홉킨스바 시스템 형상<그림 3> 시험편 형상 및 제원Vol. 21, No. 3 29 즉 조강 시 물성을 제시한 것에 의하면 재료물성은 표 1과 같다. (2) 시험조건 ∙ 변형률속도 : 타격속도에 의한 타격점에서의 변형률 제어속도를 의미함(제어가능범위 1/s~2000strains/s, 충격압력 60~80psi). ∙ 온도변화 : 상온(20°C) 및 150°C , 300°C 조건에서 온 도변화에 대한 동적인장거동을 확인하였음. (3) 시험결과 ∙ 동적인장시험에서 중요한 시험결과는 시료의 소성변 형이 발생하는 항복점 이후의 영구변형거동이며, 이러 한 거동은 동적충격이 가해지는 조건에서 강재의 변형 특성이 록볼트로서 적합한지에 대한 여부를 확인하기 위해 필요한 지표가 될 것이다. 본 연구에서는 변형률 속도와 온도를 기준으로 변형률거동을 분석하였으며, 응력-변형률 관계로 나타나는 시험결과의 예는 그림 4, 5와 같다. ∙ 상기한 다섯 개의 시험편에 대한 동적인장시험의 실험 결과를 변형률속도에 대해 고찰한 결과 비교적 높은 인장강도와 30% 이상의 연신율을 나타내는 STKM12B 급의 강재가 변형률속도에 비례하여 높은 인장강도를 나타내었다. 이러한 결과는 STKM12B 급의 강재가 큰 변형이 발생하는 조건에서도 내구성이 양호하다는 것 을 의미한다. 강재별 실험결과는 그림 6과 같다. ∙ 상기한 다섯 개의 시험편에 대한 동적인장시험의 실험 결과를 온도에 대해 고찰한 결과 역시 STKM12B 급의 강재가 고온에서의 peak stress 저하의 정도가 가장 적은 것으로 나타났다. STKM12B 급의 강재는 인발공 정에 비교적 많이 적용되는 강재로 고온의 열적 환경 에서도 내구성이 우수함을 알 수 있다. 강재별 실험결 과는 그림 7과 같다. <표 1> 동적 인장시험 시험대상 강관의 재료물성 구분STKM 11A STKM 12B SPPS420 SPPS380 STK290 인장강도 (MPa) 417440483412290 항복응력 (MPa) 315320355235- 연신율 (%) 3835202120 <그림 4> 인장시험 고속화상과 파단된 시험편 <그림 5> 동적인장 시험조건에서 응력-변형률 실험결과 예30 자연,터널 그리고 지하공간 특집기사 다중팽창형 급속시공 록볼트개발 <그림 6> 변형률속도에 대한 동적인장 실험결과 <그림 7> 온도에 대한 동적인장 실험결과Vol. 21, No. 3 31 다. 록볼트 동적팽창 인장시험 데이터를 활용한 팽창 시뮬레이션 (1) 시뮬레이션 구현 모델 선정 ∙ 소성거동에 대한 시뮬레이션을 위한 지배방정식으로 Johnson-Cook의 소성모델을 적용하였고, 상기한 동 적 인장시험의 결과를 이용하여 모델구성을 위한 상수 들을 구하였다. 여기서, A: Yield stress(MPa) B: Hardening modulus(MPa) n: Hardening exponent C: Strain-rate coeffient m: Temperature softening exponent ∙ Johnson-Cook의 소성모델은 금속에 주로 사용되는 모델로서 인장강도 결정에 소성변형률, 변형률속도, 온도변화를 고려한 모델이며, 본 연구의 금속시료에 대해 실험결과로 얻어진 상수 값들은 표 2와 같다. 2.1.2 동적팽창해석 록볼트 팽창부의 동적팽창거동을 시뮬레이션하기 위한 것으로 앞서 고찰한 소성모델에 기초하였다. 가. 해석조건 및 시뮬레이션 (1) 해석조건 ∙ 팽창시뮬레이션은 범용유한해석 프로그램 LS-DYNA (LSTC)를 활용한다. ∙ 록볼트 (강철재료)에 대한 부분은 Johnson-Cook model 을 적용, MMALE(Multi-Material Arbitary Lagrange Euler) 해석을 수행한다. ∙ FSI(Fluid Structure Interation) 커플링 해석을 적용 한다. (2) 시뮬레이션 결과 ∙ 팽창 시뮬레이션 결과를 시간에 대한 팽창량으로 표현 하면 그림 8과 같다. ∙ 록볼트 파괴 및 유체의 유출로 인하여, 급격하게 부피 가 늘어나기 직전을 파괴부피(록볼트 최대 팽창량)로 가정할 때 ∙ SPPS, STK계열에 비하여 STKM계열(STKM11A, STKM 12B)이 팽창량이 더 큰 것을 확인하였고, 순간적인 시 간차이에 나타나는 팽창력의 차이를 통해 STKM 계열 이 록볼트에 적합한 강재로 판단되었다. ∙ 동적인장시험 및 팽창시뮬레이션 결과 STKM12급의 강종이 동적 팽창형 록볼트에 가장 적합한 강종임을 알 수 있었고 proto type의 록볼트 제작에 이 강종을 적용하였다. <표 2> 동적 인장시험으로 얻어진 Johnson-Cook 소성모델 상수 구분A(MPa)B(MPa)Cnm STKM 11A3151283.950.08750.73532.0241 STKM 12B305295.5680.11890.16461.6608 SPPS420335500.590.07880.64380.2311 SPPS380235784.470.07650.76810.9705 STK290110269.160.01510.250.7857 <그림 8> 시간에 대한 동적 팽창력 거동32 자연,터널 그리고 지하공간 특집기사 다중팽창형 급속시공 록볼트개발 2.2 록볼트 현장시험 2.2.1 테스트베드 및 시험조건 동적팽창이 동시 다발적으로 발생할 수 있는 플라즈마 록볼트에 대한 현장 성능시험을 위해 현재 11편까지 채광 이 진행 중인 장성 ○○석회석 광산 내 9편 (GL-144m)내 암반 필라를 대상으로 시험을 실시하였다. 5공에 대한 동 시 정착시험을 실시하였다. 가. 현장 위치도 및 암반물성 (1) 현장 위치도 ∙ 그림 9와 같이 주 운반 갱도에서 100m 정도 이격된 필 라부의 임의의 위치를 선정하여 점보드릴 장비를 활용 하여 천공작업을 실시하였다. (2) 현장 암반 물성 ∙ 록볼트 설치용으로 천공하여 획득된 코아 시료에 대한 실내시험을 통해 획득한 암반물성은 표 3과 같다. 나. 시험조건 (1) 록볼트 및 장비 조건 록볼트 및 장비 조건은 사전 시험을 통해 표 4와 같이 설 정하였다. 록볼트 모재가 되는 강관은 STKM12급에 속하 는 기계구조용 강관을 조강하여 획득된 STKM340 용 원 형파이프를 적용하였다. (2) 록볼트의 전기적 연결방법 플라즈마 록볼트의 전기적 연결은 록볼트 팽창을 유발하 기 위한 메카니즘임과 동시에 동시 정착을 위한 방법이기 도 하다. 본 연구에서는 5개의 록볼트를 일시에 반응시키 는 방법을 고안하였고, (그림 10)직렬방식의 회선 연결에 따라, 만일 한 개의 록볼트이라도 불량이 되면 나머지 전 부에서도 반응이 발생하지 못하도록 계획하였다. 테스트베드 내 전기적으로 연결된 플라즈마 록볼트의 <그림 9> 현장 시험 위치도 <표 3> 테스트 베드 암반물성 항목물성치항목물성치 단위중량(kN/m3)26.6탄성계수(GPa)52.7 비중2.71포아송비(υ)0.26 탄성파속도(m/sec)5,220RMR76 인장강도(MPa)8.5GSI80 압축강도(MPa)81.4Q-value27.8 <표 4> 실험에 적용된 록볼트 및 장비 조건 항목제원 록볼트 길이3.5m 멀티갭 간격4.0cm 전선 두께3.0mm 금속 혼합물CS캡슐 파이프 종류STKM340 EPI콘덴서용량20,000 EPI 전압4,000V 화합물 약량350g / 450g 캡 종류플러그 형 기밀 상태밀폐 강결방법D형 지관두께1.5mm 록볼트직경38mm 단면모양데코보코 동시팽창수량5EA 전극셀길이1.5m / 1.7m 강관연신율40% 기타강관 SR처리Vol. 21, No. 3 33 모습은 그림 11과 같다. 그림에서 알 수 있듯이 플러그 형 태의 연결을 시현하여 시공성 향상을 도모하였다. 2.2.2 시험결과 동적팽창의 proto type 현장시험을 시행하기에 앞서, 먼저 전기적 연결에 대한 확장성은 그림 10의 모식도와 같은 연결로써 7개 까지 실시하여 전기적으로 반응이 가 능함을 확인 하였다. 이것은 방전기 용량과 관련된 부분 으로 향후 실용화 단계 시 전하량과 전압에 대한 추가적 고려가 진행되어야 할 것이다. 시험결과의 검증을 위한 인발하중-변위 측정 방법부터 고찰하면 다음과 같다. 가. 인발 거동 측정 (1) 인방거동 측정 개요 ∙ 인발변위 및 인발강성을 고려할 경우 12mm 이내에서 정밀한 측정이 필요하므로 레이져 측정기를 활용하여, 정밀도 확보와 디지털 자료 획득이 가능하였다. ∙ 인발하중 측정을 위해서는 Swellex 록볼트에 적용되 는 장비와 유사한 장비고안이 필요하였고, 본 연구에 서 현장조건 등을 고려하여 제작하여 활용하였다. (2) 인방거동 측정 과정 ∙ 록볼트 두부에 연결 홀더를 설치하고(그림 12) ∙ 지지대를 설치하고 유압실린더를 장착하기 위한 수평 조정을 한다(그림 13). ∙ 유압실린더를 장착하여 인발시험을 위한 준비를 마친 다(그림 14). ∙ 유압실린더는 최대 24tf까지 측정이 가능하였고, 디지 털 변위측정기는 모바일 앱을 이용한 데이터 저장이 가 능하였고 인발하중과 측정시간을 그림 15와 같이 촬영 하여 기록하였다. 시험 종료 후 데이터를 측정시간별 로 정리하여 인발하중-인발변위 관계를 plot 하였다. <그림 10> 플라즈마 록볼트 동시정착을 위한 전기적 연결 모식도 <그림 11> 테스트베드 내 플라즈마 록볼트 동시정착 실험 준비 모습34 자연,터널 그리고 지하공간 특집기사 다중팽창형 급속시공 록볼트개발 나. 인발하중 - 인발변위 실험결과 분석 (1) 인발하중 - 인발변위 곡선 ∙ 5개의 플라즈마 록볼트의 동시정착 시험결과를 반응 재를 구성하는 금속화합물의 양과 전극셀 길이를 표 4 와 같이 각각 두 가지 경우로 하여 동시정착 시험을 실 시하였다. ∙ 시험결과는 그림 16과 같이 양호한 결과를 얻을 수 있 었다. (2) 인발하중 - 인발변위 측정결과 분석 ∙ 금속화합물을 350g로 하는 경우와 450g으로 하는 경 우 인발 강성은 다른 경향을 나타내었다. 금속화합물 이 450g으로 하는 경우가 인발강성이 크게 나타났고, <그림 15> 디지털 변위 측정 - 인발하중 측정 모습 <그림 12> 록볼트의 두부에 연결홀더를 설치하는 모습 <그림 13> 지지대 설치 및 수평조정 모습 <그림 14> 유압실린더 설치 모습Vol. 21, No. 3 35 그것은 외관상 천공공 입구 부분에서 확인되는 록볼트 body의 확장 정도로 구분이 되었다. 확장정도가 큰 경 우는 금속화합물의 양이 많은 쪽이었다. ∙ 최대인발하중은 다섯 가지 경우 중 한 가지 경우만 14tf 수준이었고 나머지 네 가지 경우가 15tf을 상회하 는 수준을 나타내었다. 연구계획 시 350g로 하는 경우 와 450g으로 하는 경우 인발 강성은 발생양상은 stiff 한 경향을 보이는 것은 유사하였으나, 금속화합물의 양이 많은 경우가 좀 더 stiff한 거동을 나타내었다. ∙ 최대인발하중은 천공공의 상태와 록볼트와 천공벽면 과의 접촉 상태에 영향을 받는 것으로 판단된다. 천공 벽면상태의 확인은 측정한 장비를 활용한 프랙탈 차원 분석이 필요로 하므로 향후 확장된 연구를 필요로 할 것이다. 실험결과 2tf 이내의 차이를 나타내었고 평균 적으로 15tf수준의 인발하중을 나타내었다. ∙ 정착재를 사용하는 록볼트의 경우와 비교하면 최대인 발하중 이 후에 인발하중의 저하가 두드러지지 않고 일정하게 유지된다는 것이다. 정착재를 사용하는 경우 는 정착재의 이탈이 발생하면서 급격한 인발하중에서 의 저하가 나타나게 되는데 반해 플라즈마 록볼트의 경우는 일정하게 유지되었다. ∙ 최대인발하중 이후의 거동은 인발강성과 무관하게 거 의 동일한 거동을 보였고 테스트 베드가 석회석 광산 임을 고려할 때 비교적 균일한 암반조건과도 연관된 것으로 판단된다. 3. 연구 성과 및 향후 시장성 검토 3.1 다중 급속정착형 록볼트 지보재의 기술적 연구 성과 3.1.1 플라즈마 록볼트 기술개발의 완성도 플라즈마현상을 활용하는 록볼트 개발과 관련하여 본 연구는 현실적인 방안을 강구한 것으로 생각할 수 있다. 플라즈마 현상 본연의 상태를 발현하기 위해서는 10000V 이상의 초고전압 장비가 필요하지만 아직 기술적으로 이 러한 조건에서 안전성을 보증할 수 있고 장비규모도 현장 에서 쉽게 다룰 수 있는 수준까지 발달하지 못하였다. 그 래서 금속화합물이라는 매개체 활용을 적용한 현실적 안 을 강구하였다. 본 연구를 통해 록볼트의 구조가 완성되 <그림 16> 플라즈마 록볼트 인발하중-디지털 변위 측정 결과36 자연,터널 그리고 지하공간 특집기사 다중팽창형 급속시공 록볼트개발 었다고 판단할 수 있다. 록볼트의 기능의 지표인 인발하 중도 기준이상임을 알 수 있었다. 단 반응의 매개체로서 활용한 CS캡슐의 역할과 성분에 대한 기술적 보증이 미 흡한 것이 사용적 활용에 있어서 한 번 더 생각해 볼 필요 가 있다. 반응물질의 이온화상태를 동반하는 동적팽창현 상 이것을 활용하는 제품의 예로서 록볼트가 가능함을 확 인할 수 있었다. 그리고 제품화 시 필요한 록볼트의 하드 웨어적 강구를 완성하였다. 다만 본 연구를 확장해서 할 수 있다면 CS캡슐 및 이와 유사한 반응물에 대한 연구를 관련업체 협동하여 진행할 필요가 있을 것으로 판단된다. 현재 개발된 록볼트 시스템은 생산과정 중에 가장 안전한 기술이다. 다만 매개체 활용 측면에서 개발자 입장에서 개선의 여지가 있는 것으로 판단된다. 3.1.2 다중 급속정착형 록볼트의 구체적 모델 제시 다수 개 록볼트의 급속정착 기술에 대해 실험적으로 증 명한 것으로 록볼트 시공이 단일공이 아니라 복수 개에 대해 동시적으로 시공되는 시공방법 혁신의 시발점을 제 시하였다. 현재와 같이 천공공 하나씩 시공하는 방법은 록볼트의 적용의도를 충분히 발현시키지 못하고 현실적 으로 가능한 방법으로 실행해온 것이다. 복선의 철도터널 한 단면에 대해 15~20개의 록볼트가 시공된다고 할 때, 5 개씩 동시에 급속정착 시킨다면 3~4개 그룹으로 영역별 로 순차적으로 시공이 가능할 것이다. 이러한 방법은 록 볼트 시공 즉시 아칭효과가 나타날 수 있게 할 것이다. 그 리고 궁극적으로는 15~20개의 록볼트가 동시에 급속정 착되는 기술의 발전이 가능할 것이다. 본 연구에서 제시 하는 시험결과는 가까운 장래 터널시공 중 지보재 설치공 정의 변화의 방향을 제시하고 있다. 플라즈마 장비의 발전뿐 만 아니라 눈부시게 발전하는 전기‧ 전자부분의 발달 그리고 세계수준에 접근한 국내 강관제품의 품질을 고려할 때 터널공정 중 록볼트 설치공 정의 변화는 가까운 시기에 현실화 될 것이고, 그 변화의 핵심 아젠더로서 본 연구결과에서 제시하는 다중 급속정 착형 플라즈마 록볼트가 있을 것이라 예상된다. 3.1.3 기술적 달성도 평가 기술적 달성도로써 세 가지 항목을 고려하였다. 첫 번 째 항목인 인발강성과 두 번째 항목인 인발하중은 ASTM 규정에서 정착재를 적용하는 전면접착형 록볼트에 대한 것에 기초하여 평가할 수 있다. ASTM규정에서 권장하는 사항은 최대인발하중이 10mm 변위 이내에서 12tf 정도를 나타나는 것이다. 본 연구에서는 ASTM 규정보다 동적팽 창 효과로 기대되는 구속효과를 고려하여 평가지표가 다 소 높게 설정되었다. 2장에서 기술한 바와 같이 인발변위 3mm 이내에서 평균 15tf 수준의 최대인발하중이 기록되 었다. 인발강성은 5회 실험의 평균치가 8.0tf/mm이었고, 이러한 수치는 동적팽창형 록볼트가 정착재를 사용하는 기존의 록볼트 보다 터 큰 인발강성과 최대인발하중을 나 타냄을 보여주고 있다. 통상 전면접착형 록볼트의 경우 시공이 온전히 이루어지고 용수 등의 조건이 없다면 2~3 tf/mm 정도의 인발강성을 보이므로 이상적 조건에서의 전면접착형 록볼트 보다 동적팽창 형태의 록볼트가 더 우 수한 록볼트 기능을 발휘하리라 예상된다. 세 번째 항목인 동시정착 개수는 현장실험을 통해 5개 가 되었음을 알 수 있다. 동시 정착 개수는 향후 더 많은 연구가 진행될 수 있다면 더 늘어날 것이며, 향후 방전기 관련 부품 및 재료 개발에 따라 궁극적으로 20개 정도의 록볼트 동시 시공을 목표로 개발할 수 있으리라 예상된다. 그리고 이러한 성과는 적용분야를 록볼트 뿐 만 아니라 네일링으로도 그 범위를 확대할 수 있으리라 기대된다.Vol. 21, No. 3 37 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 정국영 용인구리건설사업단 단장 김세형 용인구리건설사업단 품질환경팀장 정철호 용인구리건설사업단 제○○공구 주감독 김순규 (주)태영건설 제○○공구 현장소장 전성권 (주)태영건설 제○○공구 설계팀장 1. 개 요 일반적으로 고속도로는 지역간 연결을 통해 국가 물류의 흐름을 원활히 소통시키는 것을 주목적으로 건설된다. 하지 만 최근에는 기존 대도시를 직접 통과하거나 우회하는 노선의 계획 및 시공이 점차 늘어나고 있는 추세이다. 이에 따라 사인의 재산권 침해를 최소화 할 수 있도록 공유지와 같은 제한된 용지 내에 고속도로를 건설해야하는 경우가 많이 발생 하며 소음, 분진, 매연 등의 문제를 최소화 시킬 수 있는 터널공법의 채택이 늘어나고 있다. 도심 공유지는 대부분 기존 도로나 녹지 등이 대부분이고 상하수도 및 통신관로가 거미줄처럼 설치되어 있으며 특히 서울의 경우 운행중인 지하철 및 장래 지하철 계획을 고려하여 고속도로 터널의 선형 및 시공을 계획하여야 한다. 따라서 제한된 용지 내에서 터널을 건설하기 위해선 2-Arch 터널 또는 대 단면 교행터널 등이 검토될 수 있을 것이나 공사기간, 경제성, 환기 및 방재 성능 등에서 많은 문제가 발생함에 따라 병설 터널간 이격거리를 최소화할 수 있는 근접 병설터널이 주요한 대안으로 검토되고 있다.Next >