1. 서 론
국토의 개발과 지역발전을 위해 도로망과 철도망의 확충이 계속됨에 따라 터널의 숫자와 연장도 지속적으로 늘어나고 있다. 국토교통부의 도로 교량 및 터널 현황조서(MOLIT, 2023)에 따르면 Fig. 1과 같이 2022년 12월 기준 전국 도로의 터널은 3,720개소, 연장 2,499 km로 전년대비 75개소가 증가한 것으로 조사되었다. 도로뿐 아니라 철도도 제4차 국가철도망 구축계획에 따라 기존 노선의 급행화, 고속화 그리고 광역 철도망 구축 등으로 철도노선이 늘어나고 있으며 이로 인한 터널도 함께 증가하고 있는 추세이다.
터널은 사소한 결함이 원인이 되어 위험한 결과가 만들어질 수 있고, 지중에 매설되어 관리가 어려운 특성으로 인해 터널 공사에 있어서는 작은 문제점이라도 확실한 개선을 통해 품질을 확보할 필요가 있다. 굴착공법 중 터널 상반까지 선굴착하고 강지보재 설치 후 숏크리트를 타설하여 아치구조물을 형성하여 시공한 다음 하반을 굴착하는 공법이 많이 적용되는데 이러한 공법은 시공이 간편하며 지보력 발휘 시간이 짧아 공사 기간 단축 효과가 우수하고 강지보 기초 부재 및 콘크리트 타설을 통해 구조적인 취약점 보완 및 침하에 대한 저항성을 증대시킬 수 있다(Shin et al., 2019).
적절한 강지보재의 적용은 터널의 굴착 공간 중 먼저 굴착된 상부 공간을 견고하게 지지하면서, 하부 공간을 굴착하더라도 지반이 붕괴할 위험을 제거하여 더 효율적인 터널 시공을 가능하게 한다. 강지보재(steel ribs)는 기본적으로 숏크리트가 경화될 때까지 지반을 지지하기 위하여 설치하는 보강재로 지반의 이완이 가급적 적게 발생하도록 굴착 후 규정된 순서에 따라 신속하게 설치하며, 숏크리트와 일체가 되어 지보 기능을 효과적으로 발휘할 수 있도록 하는 것이 중요하다(Moon, 2012).
강지보재는 터널의 안정성에 큰 영향을 미치지만 연결부와 받침부의 시공에 있어 구조적인 문제와 시공상의 어려움으로 인해 시방규정을 준수하기 어려운 점이 있다. 본 연구에서는 기존 강지보재의 문제점을 분석하여 이를 해결하기 위한 방안을 모색하고자 한다.
2. 강지보재의 문제점
2.1 구조적 문제
국도건설공사 설계실무요령(MOLIT, 2021)에서 강지보재의 설치에 있어 ‘강지보재의 연결 체결부는 일반부와 동등 이상의 강도 등 구조설계기준을 만족하는 성능을 발휘하도록 하여야 한다’고 되어 있다. 그러나 현재 사용되고 있는 격자지보의 일반부는 Φ30 ㎜ 1개와 Φ20 ㎜ 2개의 강봉으로 구성되나 연결부는 M20볼트 2개로 구성되어 일반부 대비 강재의 단면적이 47.1% 부족하여 기준을 만족하지 못하는 실정이다. Kim (2019)은 격자지보가 H형 강지보재에 비해서 숏크리트 타설시 배면공극 발생을 저감할 수 있는 장점이 있으나 연결부의 강재단면적 부족에 대한 보강이 필요하다고 언급하였다.
강지보재 연결부의 Fig. 2와 같은 일반부의 강재단면에 따른 단면2차모멘트를 계산하면 1,926,564 ㎜4이지만 Fig. 3과 같은 연결부의 경우 연결볼트의 직경 감소로 인해 단면2차모멘트가 15,707 ㎜4로 감소하는 것으로 나타난다.
강지보재의 구조적 지지력은 강재의 물성과 단면적에 의해 좌우되기 때문에 결국 연결부가 일반부에 비해 강도가 낮아져 시방규정을 만족하지 못하는 문제점이 발생한다. 격자지보의 연결부에서 단면이 감소하나 가해지는 하중은 동일하기 때문에 연결부가 구조적 취약부가 될 수밖에 없으며, 강지보재에 지반하중 또는 지반 이완하중이 전달될 경우 연결부에서 먼저 심각한 변위가 발생되어 파괴로 이어지게 된다(Kim and Ma, 2023).
2.2 시공상의 문제
강재보재의 연결부로 인해 시공에서 나타날 수 있는 문제점으로는 연결부 조립과정에서의 강지보재 파손과 받침부의 불안정성, 숏크리트 피복두께의 부족이 있다.
강지보재는 상⋅하반 분할 굴착에 따라 상부 강지보재 설치 후 숏크리트를 타설하고 이후 하부 강지보재 연결을 위해 Fig. 4와 같이 연결부를 덮고 있는 숏크리트를 파쇄하는 과정을 거치게 된다. 이때 숏크리트의 파쇄 과정에서 강지보재가 파손되는 문제가 Fig. 5와 같이 발생할 수 있다.
이와 같은 연결부의 파손 및 변형은 상⋅하부 지보재의 연결을 불안정하게 하여 지보재의 구조적 안정성이 저해되며 파손 정도에 따라서는 볼트 체결이 어려워 철선으로 연결하는 등의 부실시공 위험이 나타난다. 또한 파쇄된 숏크리트는 강섬유가 혼합되어 있어 건설폐기물로 분류되며 터널굴착 과정에서 발생하는 암버럭과 분리되어 별도 처리되어야 하기 때문에 환경문제의 유발과 처리비용이 증가하는 문제가 있다.
강지보재가 설계된 지지력을 확보하기 위해서는 설계상의 위치에 정확히 설치되어야 한다. 그러나 터널의 발파 후 설치되는 강지보재는 바닥면의 높이가 불규칙하고 면이 일정하지 않기 때문에 강지보재의 기초부 받침을 설계 위치에 설치하는 데 큰 어려움이 있다. 현장에서는 Fig. 6과 같이 발파석이나 벽돌 등으로 강지보재의 받침 높이를 조절하고 있는 실정이며 이로 인해 강지보재 설치 시 전도 추락, 낙하 등의 안전사고 위험이 있으며 쐐기 받침을 사용할 경우에도 평평한 바닥면을 필요로하여 높이 조절에는 도움이 될 수 있으나 아치 지보력을 발휘 할 수 있도록 하여야 한다는 시방규정을 만족하기에는 어려움이 있다.
발파석이나 콘크리트 블록을 강지보재 받침으로 사용하는 경우 불안정한 지지력을 가지게 되고 Fig. 7과 같이 숏크리트의 피복 두께가 감소하여 강지보재의 구조적 안정성을 떨어뜨릴 뿐 아니라 배수로 터파기 시 기초 받침의 탈락 우려와 배수로로 인한 기초 바닥의 연약화에 따른 지지력 약화로 침하가 발생할 수도 있다.
3. 연결부 보강 방안 및 효과검증
3.1 연결부 보강
Tan and Han (2019)은 다양한 지반조건에서 강지배조가 충분한 지지력을 확보하기 위해서는 강재보재의 구조적 안정성을 확보하는 것이 중요하며 이를 위해 고강도 열처리 강재를 사용하여 강지보재의 강성을 증가시키고 이를 통해 강지보재의 변형이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 강지보재의 구조적 취약점이 연결부와 천단부에 대한 구조적 보강을 고려하였다.
강지보재의 상하부를 연결할 때 사용되는 M20볼트는 직경 20 ㎜에 길이 60 ㎜ 규격이다(Fig. 8). 상부 지보재가 설치된 상태에서 위쪽에서 볼트를 삽입하여 하부 지보재와 연결해야 하므로 가급적 짧은 볼트를 사용하게 된다.
본 연구에서는 연결볼트로 인해 감소하는 단면적을 보강하여 강성을 확보하고 연결 작업을 보다 편리하게 하기 위해 고장력 장볼트의 사용을 검토하였다. 연구에 사용된 고장력 장볼트는 직경 30 ㎜의 M30 볼트로 길이 200 ㎜의 볼트를 사용하였다. Fig. 9와 같이 고장력 장볼트를 체결하였을 경우 기존 사용하던 볼트로 체결한 Fig. 8의 연결부에 비해 볼트의 길이가 매우 긴 것을 볼 수 있다.
볼트를 상부 강지보재에 미리 체결한 상태로 시공하여 고장력 장볼트를 상부지보재의 높이조절용 나사로 사용한다. 볼트의 길이가 길어졌으나 시공전에 상부 강지보재에 체결되어 있기 때문에 늘어난 길이로 인한 볼트구멍의 삽입 어려움 문제가 발생하지 않는다. 볼트가 길어진 만큼 하부 강지보 체결을 보다 편리하게 하기 위해 Fig. 10과 같이 연결부 볼트구멍을 개방형으로 제작하였다.
볼트의 직경을 늘렸음에도 강지재보의 일반부에 비해서는 단면적이 작기 때문에 연결부의 충분한 구조적 지지력 확보를 위해 Fig. 11과 같이 Ø30 ㎜의 환봉 2개로 보강하였다.
상⋅하 강지보재의 연결부 외에도 강지보재의 취약부는 아치의 천단부이다. 강지보재는 좌우 쌍을 이루어 제작되어 설치전 서로 연결하여 아치 형태를 갖춰 시공되기 때문에 천단부도 연결부와 마찬가지로 단면이 감소하게 된다. 이를 보강하고자 추가적인 보강환봉을 Fig. 12와 같이 설치하여 단면적을 증가시켰다.
이와 같은 연결부의 보강효과를 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 강지보재중 격자지보재의 재질은 500 MPa 이상인 용접구조용 강재를 표준으로 하며 이와 동등 이상의 성능을 발휘하고 부재 간 완전한 용접성능을 발휘하면 사용이 가능하다. 다만 강지보재 및 합성부재에 대한 별도의 시방규정은 없는 상태이다.
강지보재에 대한 휨강도 실험은 강지보재만으로 할 경우 재하지점의 설정이 어렵고 결과의 변동성이 커서 합성부재로 실험을 수행하였다. 합성부재는 숏크리트가 타설되어 일체화되어 거동하는 강지보재의 특성과도 부합한다.
Fig. 13과 같이 거푸집에 기존 방식과 보강한 강지보재 연결부를 설치하고 Fig. 14와 같이 콘크리트를 타설하였다. 콘크리트는 숏크리트의 기준강도 21 MPa 이상을 고려하여 24 MPa의 시멘트 콘크리트를 타설하였다. 28일 양생 후 Fig. 15와 같이 휨강도 실험을 수행하였다.
실험결과 Table 1과 같이 일반부의 휨강도는 118.0 kN로 측정되었으나 연결부의 경우 51.0 kN로 일반부의 약 43%에 불과하여 연결부가 구조적으로 취약한 것을 확인할 수 있었다. Fig. 16에 나타난 것과 같이 고장력 장볼트와 연결부 보강 환봉을 사용하여 보강한 상⋅하 연결부는 162.8 kN으로 일반부에 비해서 38% 증가하였으며, 아치구조를 이루는 강지보재의 특성에 따라 구조적 취약부가 될 수 있는 천단 연결부의 경우 보강 환봉을 설치함으로써 200.5 kN으로 충분한 강도를 나타내었다.
Table 1
Results of Bending strength test
Moon (2012)의 연구에 따르면 강지보재의 강성이 높아질수록 합성지보재에서 강지보재가 부담하는 하중이 높아지고 숏크리트의 부담을 경감시키는 것으로 나타나 본 연구를 통한 연결부 보강은 숏크리트 부담 경감에 따른 내구성 향상을 기대할 수 있다.
강지보재의 연결부에 대한 구조적 기준이 일반부 강도의 동등 이상을 요구함에 따라 기존 연결부는 기준을 만족하지 못한 상태에서 시공이 이루어지고 있는 것으로 확인되었으며, 적절한 연결부 보강을 수행하여야만 강지보재의 시방 기준을 만족할 수 있는 것을 알 수 있다.
3.2 시공 개선 효과
본 연구에서 강지보재의 연결부를 보강하기 위해 고장력 장볼트를 사용하는 또 다른 목적은 연결 볼트의 길이를 충분히 늘려 강지보재의 위치를 조정하는 높이 조정볼트로 사용하기 위함이다. 강지보재는 설계한 위치에 바르게 고정되어야 하나 발파로 인한 불규칙한 바닥면으로 인해 발파석이나 콘크리트 블록 등으로 바닥을 받쳐 임의로 높이를 조정하고 있는 실정이다.
Hong et al. (2006)에 따르면 지보재가 바닥과 밀착되지 않으면 예기치 못한 3차원적인 응력집중이 발생 될 수 있으며, 이는 지보재의 뒤틀림과 이상 변위를 발생시켜 지보재의 안정성을 저해하고 결국 터널의 안정성에 문제를 일으키게 된다고 하였다. 또한 강지보재의 지지력이 부족하면 강지보재가 침하되며 이에 내공단면의 유지가 곤란하고 강지보재의 변형이 발생하여 터널의 안전성에 문제가 발생하게 된다(Kim et al., 2020).
이에 Fig. 17과 같이 연결을 위한 고장력 장볼트를 사용하여 높이를 조절함으로써 시공성 및 안정성을 확보하고자 하였다. Fig. 18은 실제 현장에 적용한 높이 조절 모습으로 숏크리트 타설 시 볼트를 보호하기 위한 보호캡을 씌운 모습이다.
상부 지보재에 숏크리트 타설시 흘러내린 숏크리트로 인해 연결부가 덮이게 되는데 보호캡을 적용하여 볼트의 파손을 막고 손쉽게 숏크리트를 제거할 수 있다.
Chen et al. (2019)은 강지보재는 연약한 지반에서 초기 단계의 변형을 제어하고 토압을 지지하는 역할을 하는데, 지반의 지지력이 낮거나 과도한 수직하중으로 강지보재의 침하가 발생하는 경우가 많기 때문에 다양한 침하 방지대책이 필요하다고 하였으며, 강지보재 바닥판의 확장을 통한 지지력 확보도 그 중에 하나로 소개하였다. 이를 참고하여 Fig. 17과 같이 바닥판을 설치하여 보다 안정적인 지지력을 확보할 수 있도록 하였다.
4. 경제적 효과 분석
강지보재의 연결부를 고장력 장볼트를 사용하여 개선함으로써 얻을 수 있는 경제적 효과를 분석하였다. 기존 방식의 강지보재의 상⋅하부 연결을 위해서는 상부 강지보재 설치 후 숏크리트를 타설하고 양생 후에 연결부 확보를 위해 연결부를 덮고 있는 숏크리트를 파쇄해서 제거해야 한다. 이때 Fig. 5와 같이 강지보재의 파손이 발생할 수 있으며, 볼트를 체결하기 위해 연결부 상부로부터 약 30 cm의 숏크리트를 파쇄함으로써 폐숏크리트가 발생하게 된다. 폐숏크리트는 건설폐기물로 발파석과 분리하여 배출되어야 하며 이는 처리비용을 발생시킨다. 또한 비용절감 및 분리시간 단축을 위해 발파석과 혼입되어 처리하면 환경문제를 일으키게 된다.
본 연구의 고장력 장볼트는 높이 조절을 위해 상부 강지보재에 미리 볼트를 설치한 상태에서 시공함으로써 연결부 상부의 숏크리트를 파쇄하지 않고 Fig. 19와 같이 볼트 하부 부분의 숏크리트만 파쇄하여 하부 강지보재와 연결할 수 있는 장점이 있다. 이때 하부 강지보재의 연결부의 구멍을 개방형으로 함으로써 길이가 긴 볼트로 인한 체결의 불편함을 해소하였다. 숏크리트 파쇄의 저감은 숏크리트 폐기물 처리비용의 절감뿐 아니라 숏크리트 파쇄에 소요되는 시공시간을 단축하는 효과를 얻을 수 있다. 이에 대한 효과를 경제성으로 검토하였다.
강지재보의 공사비는 2006년까지는 표준품셈에 의해 산출하였으나 2007년 항목이 삭제되어 한국철도시설공단의 ‘터널지보재’ 지침(KNR, 2020)의 단가산출부분을 기준으로 산출하였다. T-4규격의 격자지보에 대해 본 기술을 적용할 경우 Table 2와 같이 고장력 장볼트의 사용과 보강환봉으로 인해 격자지보 제작비에서 0.87%의 비용 증가가 발생하나, 연결부 숏크리트 깨기 및 폐기물 처리비용의 절감을 고려하면 전체 공사비에서는 2.42%의 공사비 절감효과를 얻을 수 있다.
Table 2
Economic Analysis
본 기술의 현장적용성 검증을 위해 2023년 9월 00터널에 적용하였으며, 이때 본 기술의 시공속도를 측정한 결과 1조의 강지보재 설치과정에서 받침 설치 및 높이조절에서 약 12분, 하부 강지보재 연결과정에서 약 17분의 시공시간 단축효과가 나타났으며, 숏크리트 파쇄 및 처리 등 기타공정을 포함해서 연장 1 km의 터널지보재 설치공정에서 약 333 시간의 시공시간 단축효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 시공시간 단축효과에 대한 경제적 효과를 반영한다면 고장력 장볼트를 사용한 강지보재 연결부 적용에 따른 경제적 효과는 보다 증가하게 될 것이다.
5. 결론
터널 강지보재의 성능 및 시공성 개선을 위해 고장력 장볼트 적용에 대해 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 상⋅하부 강지보재를 연결할 때 기존의 Ø20 ㎜의 볼트는 일반부의 강재 단면의 47.1%에 불과하여 구조적 취약부를 형성하게 된다. 이를 보강하기 위해 Ø30 ㎜의 고장력 장볼트를 사용하고 보강환봉을 적용하였다. 또한 아치구조의 강지보재에서 가장 많은 응력이 발생하며 시공상의 편리성으로 인해 볼트로 연결하여 시공하는 천단부에도 보강환봉을 설치하였다. 보강된 연결부의 효과를 검증하기 위해 합성부재를 제작하여 휨시험을 실시하였으며, 이를 통해 상⋅하부 연결부는 일반부의 1.38배, 천단 보강부는 1.70배 높은 휨강도를 나타내어 터널 강지보재의 일반부 대비 동등 이상의 강도확보 기준을 만족할 수 있는 것으로 나타났다.
2. 강지보재의 받침부는 견고하게 고정되고 높이를 조절하여 설계상의 위치에 강지보재를 위치시켜야 하나 현장에서 불규칙한 파쇄바닥으로 인해 이러한 기준이 지켜지기 어려운 실정이다. 상⋅하 강지보재를 연결하는 볼트를 높이 조절용 볼트로 사용하고 이를 위해 상부 강지보재 연결부에 볼트를 미리 체결함으로써 견고한 받침 구성과 신속하고 정확한 높이 조절이 가능하게 하였다. 또한 사전에 볼트를 체결함에 따라 상부 숏크리트 타설 후 볼트 연결을 위해 숏크리트를 파쇄하여 제거하는 공정을 최소화함으로써 폐숏크리트 발생량이 감소하고 연결부가 손상되는 위험을 최소화할 수 있었다.
3. 본 연구기술의 경제성 분석을 위해 한국철도공단의 ‘터널지보재’ 설계 기준에 따라 단가를 산출하였다. 고장력 장볼트 및 보강환봉의 사용으로 지보재 제작 비용은 0.87% 상승하나 숏크리트 폐기물 처리 비용 감소로 전체 공사비에서는 2.42%의 절감 효과를 얻을 수 있었다. 현장 적용을 통해 측정한 시공시간 단축효과에서는 손쉬운 연결작업과 숏크리트 파쇄공정 최소화에 따라 기존 공법 대비 약 333 시간/㎞의 시공시간이 단축되는 것을 확인할 수 있었다.
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