< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 1. 개 요 도로 및 철도 터널과 마찬가지로 수로터널 공사에서도 굴착과 함께 1차 지보재를 시공하고, 굴착이 완료된 후에는 영 구 지보재인 라이닝 콘크리트를 타설하게 된다. 통수를 목적으로 하는 수로 터널은 도로나 철도터널과 다르게 물의 흐름에 유리한 원형으로 라이닝 단면을 형성하며, 통수 후 주변의 간극수압을 배제하기 위한 배수시설을 구성하는 것 또한 도로나 철도 터널과 차이점이라 할 수 있다. 현재 충주댐 치수능력증대 현장은 보조여수로용 수로터널 3개소에(D=16.3m, L=1,542m) 대하여 굴착이 완료되었으 며, 라이닝 콘크리트를 시공 중에 있다. 각 터널은 유입천이부, 일반부, 유출천이부로 계획되어 있으며, 본고에서는 일 반부 원형단면 라이닝 타설 작업 시 실시설계 계획 대비 타설중 안전성 및 품질향상을 위하여 현장에서 개선시킨 내용을 위주로 소개하도록 하겠다. 대단면 수로터널 라이닝 시공관리 사례 박진배 대림산업 충주댐 치수능력 증대 현장 소장 남궁돈 대림산업 충주댐 치수능력 증대 현장 부장 박성헌 대림산업 충주댐 치수능력 증대 현장 부장 김웅경 대림산업 충주댐 치수능력 증대 현장 차장Vol. 22, No. 2 39 <표 1> 충주댐 치수능력 증대현장 수로터널 상세 제원 터널 Type직경(m)라이닝두께(mm)연장(m)비고 PI-C22.3~24.4878~1,000 243변화단면 PI-A17.8~22.3878~600 P-3, P-216.35001,176원형단면 PO-B18.0~17.9697~600 123변화단면 PO-C18.3~18.0697~800 합계1,542 (a) 유입 천이구간(PI-A,C)(b) 일반부(P-2,3)(c) 유출 천이구간(PO-B,C) 2. 터널굴착 완료 후 내공측량 개선 2.1 내공측량 방법 내공측량은 터널굴착이 종료된 후 광파기(total station)을 이용하여 숏크리트면 또는 라이닝면을 측량하여 설계와 비 교하기 위한 것이다. 이때 터널 전체적인 노선에 등간격(2~4m)으로 터널 내공을 측정하여 여굴량을 산정해야 하나 비 용적인 문제로 인해 측량간격을 촘촘하게 유지할 수 없는 것이 현실이었다. 그러나 당 현장에서는 3D 스캐너(Leica ScanStation P40)을 이용하여 측량함으로써 터널내공과 여굴 정보에 대한 정밀도를 높일 수 있었다. 이러한 기술의 발전은 향후 연약지반이나 지반여건이 불리한 터널에서 더욱 정밀한 내공측량이나 굴착 중 터널 내 전 체적인 변위를 파악할 수 있는 데이터를 제공함으로써 기술자들의 판단에 도움을 줄 수 있을 것이다.40 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 대단면 수로터널 라이닝 시공관리 사례 <표 2> 토탈스테이션과 3D스캔의 장‧ 단점 비교표 측량종류토탈스테이션(광파기)3D Scanning 장점 1. 반복측정으로 천단변위 측정 가능 2. 단일지점의 정밀측정가능 1. 측정간격 정밀조정가능(mm단위) 2. 연속적인 터널내공 측정 가능 3. 측량시간 짧음 단점 1. 연속적인 터널단면 데이터 추출 어려움(m간격 단위측정) 2. 측량시간이 길다. 1. 자료처리작업 및 필터링작업 필요함 2. 모델링 시간이 길다. 2.2 3D Scanning을 통한 터널 내공 측량 개선 당 현장에서는 터널굴착 중에는 광파기로 굴착면에 대한 내공 확인을 하였으며, 굴착이 완료된 후에 Leica ScanStation P40 장비를 이용하여 터널 전체노선에 대하여 3D scanning을 실시하였다. 이 결과에 따라 실제 라이닝 타설 시 계획된 설계량 보다 초과하는 콘크리트 물량을 예측할 수 있었다. (a) 3D Scanning 측량 전경(b) 3D Scanning 모델링결과 <그림 1> 내공 측량결과 비교 3. 콘크리트 배합 3.1 콘크리트 재료선정 최초 일반부 원형단면의 라이닝 타설 시 콘크리트 배합비는 표 3과 같이 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 배합을 적용 하였다. 1종 보통 포틀랜드 시멘트 배합을 당현장의 대단면 터널에 타설한 결과 표면균열이 쉽게 발생하였으며, 수화열과 균 열제어에 대한 안전성을 확보하기 위하여 수치해석을 통한 현장 배합비 검토를 실시하였다.Vol. 22, No. 2 41 <표 3> 1종 보통 콘크리트 배합비 규격W/B(%)S/a(%) Unit weight(kg/m3) 물(W)시멘트(OPC)SlagFly ash잔골재(S)굵은골재(G)혼화제 25-24-18049.351.3169344009018713.78 3.2 수치해석을 통한 콘크리트 배합 개선 모델링조건은 콘크리트 타설온도는 20°C, 30°C, 콘크리트 양생온도는 10°C, 20°C, 시멘트는 3성분계 저발열 시멘트 와 28일 압축강도는 24MPa 등의 입력변수를 적용하여 모델링을 실시하였다. 터널 라이닝 구조물의 수화열 및 온도응력 해석결과(그림 2) 외기온도 20°C 에 대해 콘크리트 타설온도를 28°C 로 낮 출 경우 콘크리트의 내, 외부 온도차가 저감되어 현장의 온도관리 기준인 최소온도균열지수 1.2를 만족하는 것으로 나타 났다. (a) 유한요소 3D 모델링(b) 수화열 해석결과 <그림 2> 터널 라이닝 콘크리트 수화열 및 온도응력 해석결과42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 대단면 수로터널 라이닝 시공관리 사례 해석결과에 따라서 당 현장은 고로 슬래그, 플라이애쉬, 시멘트 3성분계 저발열시멘트로 배합을 변경하여 적용하였으 며, 수정된 콘크리트 배합비는 표 4와 같다. 또한 저발열 콘크리트 적용 시 평균외기 온도와 콘크리트 타설온도의 차이 는 10°C 이하, 콘크리트 최대 타설온도는 28°C 이하로 제어하며 콘크리트를 타설하였다. <표 4> 저발열 콘크리트 배합비 규격W/B(%)S/a(%) Unit weight(kg/m3) 물(W)시멘트(OPC)SlagFly ash잔골재(S)굵은골재(G)혼화제 25-24-18049.351.3169241.569.034.5875.0890.03.80 모델링 결과의 적정성을 판단하기 위하여 시험타설을 실시하였고, 저발열 시멘트 사용 시 수화열 저감에 따라 양생 후 균열이 현저히 개선된 것으로 확인되었다. 균열폭균열수 0.2 이하9 0.3 이상1 (a) 1종 보통시멘트 적용 시 균열현황 균열폭균열수 0.2 이하3 0.3 이상0 (b) 저발열 시멘트 적용 시 균열현황 <그림 3> 1종 보통시멘트와 저발열시멘트 적용 시 균열 비교 4. 철근대차를 이용한 철근조립 시 현장 개선사항 4.1 철근대차를 이용한 철근조립 대단면의 수로터널에서 철근조립은 터널직경에 적합하게 설계된 철근대차를 이용하여 진행된다. 이때, 굴착 시 발생 된 여굴로 인하여 철근조립 시 대차와 터널면 사이에 이격거리가 불규칙하게 많이 발생되는 경우가 있다. 당 현장에서는 여굴에 의한 이격거리를 좁히기 위해 측면부에 슬라이딩 발판을 설치하여 여굴에 의한 이격거리를 최소화해서 작업자들 의 추락을 방지하고, 작업효율성을 높일 수 있었다.Vol. 22, No. 2 43 (a) 철근대차 전경(b) 슬라이딩 발판 활용 <그림 4> 철근대차 도면 및 전경 4.2 철근처짐 방지 앵커수량 증가 대단면 수로터널의 경우 철근처짐 방지앵커는 설계 시 구조계산에 의하여 산출되지만 실제 현장에서는 철근조립 후 노 출되는 시간을 고려하여 철근처짐이나 붕락 등의 위험을 고려하여 구조계산된 앵커보다 더 많은 수의 앵커를 사용한다. 당 현장에서는 설계 시 계획된 철근처짐 방지앵커 간격인 5m 대신 1.8m간격으로 시공하였으며, 또한 일반적인 결속선 대신 3mm의 굵은 철선으로 결속하여 철근조립이 완료된 후 타설전까지 장시간의 노출에도 안전을 확보할 수 있도록 하였다. <그림 5> 철근처짐 방지앵커와 철근결속전경 5. 투입구를 개선한 원형 라이닝폼 적용 5.1 라이닝 폼 제작 대단면 원형의 콘크리트 라이닝을 타설하기 위해서는 원형의 강재 거푸집이 필요하며, 설계 시 계획단계부터 배관라 인과 콘크리트 투입구, 점검창 등 라이닝폼 구성요소들이 실제 현장타설 작업을 고려하여 제작되어야 한다.44 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 대단면 수로터널 라이닝 시공관리 사례 (a) 라이닝 폼 조립전경(b) 라이닝 폼 작업전경 <그림 6> 강재 원형 라이닝 폼 5.2 강재 원형 라이닝폼의 콘크리트 타설용 투입구 개선 라이닝 품질을 개선하기 위해 현장에서 개선한 주요 방안은 일정한 높이에서 콘크리트를 떨어뜨리는 중력식 타설 방법 이 아닌 라이닝 폼에 일정한 간격으로 추가로 설치한 투입구를 이용하여 하부에서부터 압력으로 타설하여 콘크리트를 밀 어 올리는 방식을 적용함으로써 콘크리트가 밀실하게 채워지는 효과를 보았으며, 그에 따라 라이닝 품질을 개선 시켰다. (a) 타 현장 라이닝폼 투입구 현황(b) 당 현장 라이닝폼 투입구 현황 <그림 7> 당 현장 콘크리트 라이닝 타설방안Vol. 22, No. 2 45 6. 맺음말 (1) 3D 스캐너를 이용한 여굴측정으로 라이닝 콘크리트 타설량 정밀 예측, (2) 저발열 콘크리트 적용을 통한 라이닝 균열제어, (3) 대단면 수로터널 전용 철근대차 제작 및 활용으로 근로자 안전확보 및 품질 확보, (4) 라이닝폼 투입구 증 대 및 타설방향 개선으로 라이닝 품질 개선 등 당 현장에서 적용한 수로터널 라이닝 시공관리 사례를 소개하였다. 상기 내용들이 향후 유사 공사 수행시 참고자료로 활용될 수 있도록 하기 위해서는 보다 정밀한 데이터 축적 및 분석이 필요 할 것으로 보인다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]46 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 1. 머리말 터널과 사면의 보강에는 많은 강재가 사용된다. NATM 터널에 필수적인 록볼트, 강지보재 뿐만 아니라, 네일, 앵커, 강관다단 그라우팅 등 다양한 용도에 강재가 사용되는데, 강관다단 그라우팅과 앵커를 제외하면 대부분 이형봉강이 널 리 사용되고 있다. 이형봉강은 ‘KS D 3504 철근콘크리트용 봉강’에서 소재의 성능과 규격을 정하고 있다(표 1). 특히 록 지반보강용 고강도 강관을 이용한 SP-록볼트와 SP-네일의 현장시험 사례 한진규 (주)케미우스코리아 기술연구소장 유용선 (주)케미우스코리아 대표이사 김시년 (주)한국소재 사장 안동욱 포스코 철강솔루션연구소 구조연구그룹 수석연구원 정상현 포스코건설 R&D센터 차장 <표 1> 철근콘크리트용 봉강의 종류와 기호(KS D 3504) 구분기호 이형봉강 일반용 SD300 SD400 SD500 SD600 SD700 용접용 SD400W SD500W 특수내진용 SD400S SD500S SD600S 표시방법 : SD(Steel Deformed bar)와 최소항복점 또는 항복 강도의 최소치로 표기하며, 용접용 및 특수내진용의 경우, W(Weldable) 및 S(Seismic) 표기를 이어서 사용한다.Vol. 22, No. 2 47 볼트와 소일네일에는 SD350 규격의 이형봉강이 가장 널리 사용되었으나, 최근 KS 규격에서 SD350이 삭제되어 SD400 규격(항복강도 400MPa 이상)의 이형봉강이 사용되고 있다. 또한, 시중에 유통되고 있는 이형봉강 중 일부 수입 제품은 성능을 만족하지 못하는 것으로 알려져 강재의 품질에 대한 주의가 필요한 실정이다. 최근 ‘KS D 3872 지반보강용 강관’ 규격이 제정되고, 이를 이용한 록볼트, 소일네일 및 CIP 말뚝에 사용되는 강관망 이 개발되어 고품질의 고강도 강관을 이용한 지반보강재의 활용이 이루어지고 있다(포스코, 2019). 이러한 고강도 강관 지반보강재는 항복강도 800MPa 이상의 고품질 강재를 이용하여 경량화를 이룸과 동시에 경제성을 확보할 수 있어, 향 후 사용이 증가할 전망이다. 여기에서는 현장인발 시험을 통해 록볼트와 소일네일의 이형봉강을 고강도 강관 제품으로 대체하여 적용할 경우의 현장 적용성을 확인하고자 하였다. 2. 지반보강용 강관 2.1 KS D 3872 지반보강용 강관 최근 지반보강에 사용되는 항복강도 800MPa 이상의 고강도 강재를 이용한 강관에 대한 규격이 제정되었다. 이 규격에 서는 별도로 KS F 4602에 규정된 강관 말뚝을 제외한 사면의 록볼트, 소일네일, 터널의 록볼트, 격자지보, Forepoling, 강관다단보강, 지하벽체 보강, 루트파일, 마이크로파일, 현장타설말뚝, 부력 방지 등 각종 지반보강에 사용되는 강관에 대한 사항을 규정하고 있다. 지반보강에 사용되는 고강도 강관은 두 종류로, 항복강도 800MPa 이상의 STG800과 열처리 를 거친 항복강도 1100MPa 이상의 STG1100H가 있으며, 그 화학성분 규제치와 기계적 성질은 다음의 표 2, 표 3과 같다. <표 2> 지반보강용 강관의 화학조성(KS D 3782)(단위 : %) 종류의 기호CSiMnPS STG8000.18 이하0.40 이하2.00 이하0.030 이하0.030 이하 STG1100H0.30 이하0.40 이하2.00 이하0.030 이하0.030 이하 필요에 따라 표에 기재한 것 이외의 합금 원소를 첨가할 수 있다. 주문자, 제조사 사이의 협의에 따라 레이들 분석대신 제품 분석으로 하여도 좋다. 주문자가 제품분석을 요구한 경우, 표에 기재한 값에 대한 허용 변동값은 KS D 0228의 표 1에 따른다. <표 3> 지반보강용 강관의 기계적 성질(KS D 3782) 종류의 기호 항복점 또는 항복강도 (N/mm2) 인장강도 (N/mm2) 연신율(%)굽힘성a편평성 용접부 인장강도 (N/mm2) 11호 시험편굽힘각도 안쪽 반지름 (D는 관의 바깥지름) 평판 사이의 거리(H) (D는 관의 바깥지름) STG800800 이상860 이상10 이상90°6D3/4D860 이상 STG1100H1100 이상1300 이상10 이상90°6D3/4D1300 이상 바깥지름 50mm 이상의 관에 대하여 필요한 경우, 주문자‧ 제조자 사이의 협의에 따른다. STG1100H의 경우 열처리 후 항복강도와 인장강도를 측정한다. 특별히 더 높은 항복강도와 인장강도가 필요한 경우 연신율 값은 주문자‧ 제조자 사이의 협의에 따른다. a굽힘성은 50mm 이하의 관에 대하여 주문자의 지정이 있는 경우에 한하여 실시하며, 그 외의 경우에는 편평시험으로 대신할 수 있다.Next >