1. 서 론
일반적으로 하수관로는 가정하수와 오수를 처리시설로 이송하기 위해 설치되어 있으며 주로 지하에 매설된 구조물이다. 일부 하수관로는 산업폐수처리시설, 분뇨처리시설 그리고 침출수 처리시설의 처리수를 하수종말처리시설로 이송하기도 한다. 한국의 하수관로는 분류식과 합류식을 합하여 168,786 km이며, 이중 분류식은 126,676 km로 약 75.1%를 차지한다(Ministry of Environment, 2022).
지하에 매설된 하수관로는 시간 경과에 따른 열화와 지반침하에 의한 균열 등에 의한 파손이 발생할 수 있으며, 또한 하수관로의 손상에 의한 지반침하 발생도 문제가 되고 있다. 하수관로에 기인한 지반침하 건수는 2012년 10건에서 2014년에는 59건으로 증가하였으며, 2016년에는 238건으로 급증하는 상황을 보여주고 있다.
이에 환경부는 2015년 기준 시공 후 20년 이상 경과된 하수관로 15,600 km 구간에 대해 정밀조사를 실시하였으며, 그 결과 하수관로의 파손⋅이격 등으로 동공(cavity) 발생 개연성이 높은 중대 결함이 76,000개소(4.9개/km)로 나타났고, 균열⋅누수 등이 있으나 소규모인 일반 결함이 233,000개소(15개/km)로 나타났다. 하수관로에 의한 지반침하는 “파손, 천공 등의 관로 결함 → 강우 등에 의한 관로 상부 토양 유실 → 동공 발생 → 지반침하”의 과정을 거쳐 발생하게 된다. 따라서 환경부는 동공 발생이 의심되는 하수관로 229 km 구간에 대해 Ground Penetrating Radar (GPR) 조사를 실시하여 269개 동공을 발견하고 긴급 정비를 실시하기도 하였다. 이러한 정밀조사를 바탕으로 환경부는 2015년부터 “지반침하 대응 노후 하수관로 정비대책”을 마련하여 서울시 포함 전국의 약 1,500 km 구간의 하수관로에 대해 긴급 교체 및 보수 계획을 수립하였다. 또한 동공 발생이 가능한 노후 하수관로에 대해 장기적인 교체 및 보수 계획도 수립하였다.
하수관로의 구조적 결함 형태는 관 파손(sewer pipe fracture), 관 천공(sewer pipe perforation), 관 균열(sewer pipe crack), 관 붕괴(sewer pipe collapse) 등이 있으며, 이들의 주요 원인은 부식과 노후화에 따른 열화(deterioration), 과도한 하중, 뿌리 침투, 토양 이동, 극한의 환경 그리고 화학물질에 대한 노출 등이 제시되고 있다(Hassan et al., 2019; Siu et al., 2022). 이와 더불어 미생물에 의한 콘크리트 부식과 응력 균열도 하수관로의 구조적 결함의 원인으로 제시되고 있다(Wang et al., 2023). 특히 우리나라의 하수관로는 여러 환경요인으로 인한 빠른 노후화와 유지관리의 미흡으로 설계 수명이 이론 수명에 크게 미치지 못하는 실정이다.
구조적 결함을 가진 하수관로의 보수는 과거 하수관이 매설된 도로 굴착 후 노후관을 교체하는 방식으로 이뤄졌으나, 1990년대 이후 굴착 없이 노후관을 보수 및 보강하는 비굴착 공법(trenchless rehabilitation)이 주류를 이루고 있다. 비굴착 공법은 굴착 공법 대비 공사 기간 단축, 교통 통제 및 소음과 분진 피해 저감, 지장물 파손과 안전 문제 감소 등 많은 장점을 가지고 있으나, 다양한 비굴착 공법 또는 변형 공법 등에 대한 정보 부족으로 대상 지역의 특성을 반영한 공법 선정에 대한 어려움도 있다(Ma and Najafi, 2008; Kim, 2019; Hong and Yang, 2020; Li et al., 2023). 비굴착 공법은 하수관로 보수용 튜브를 맨홀을 통해 다양한 방식으로 하수관로 내부에 삽입하고 경화시켜 기존 관로 내부에 새로운 관로를 형성시켜 강도와 수밀성 등을 확보하는 보수 공법이다. 이러한 비굴착 공법은 보수재의 삽입 방식과 보수재의 경화 방식에 따라 다양하게 분류될 수 있으며, 이에 따라 경화 소요 시간과 하수배제방식 등도 달라지게 된다(Kim, 2019).
국내의 하수관로 현장에 적용하는 비굴착 공법은 대부분 현장 경화관(cured in place pipe, CIPP) 방식을 이용하고 있는데, 이는 보수재로 이용되는 현장 경화관인 튜브 라이너(tube liner)의 유연성과 가공성이 우수해 다양한 관 종류와 관경에 적용 가능하며, 보관과 운반성도 우수하기 때문이다.
초기 현장 경화관 방식은 thermosetting unsaterated polyester resin의 튜브 라이너를 polyester felt에 함침(inpregnation)하여 튜브 라이너 내부에 100 ℃ 이상의 온수를 공급하여 온수 무게를 이용한 하수관 내부로의 반전 삽입 및 온수 순환을 통해 튜브 라이너를 경화시키는 온수 열경화법이었다. 온수 열경화법은 물 사용량과 에너지 소비량이 매우 크고 경화 소요 시간도 길어 이후에는 온수 대신 고압 증기를 이용하는 증기열 경화법이 개발되었으며 지금도 현장에서 많이 활용되는 열경화법의 한 가지이다. 그러나 증기열 경화법도 에너지 사용량이 크고 경화 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 유해 물질인 styrene 누출 문제도 야기되었다.
따라서 기존 열경화 방법의 여러 가지 문제점, 즉, resin으로 만들어진 튜브 라이너의 낮은 강도, 긴 시공 시간, 대형 보일러와 물탱크 소요, 높은 에너지 및 연료 소모 등의 문제점을 해결하기 위해 2000년대 이후 UV 광경화(UV photo curing) 기술들이 개발되기 시작하였다. 초기 UV 광경화의 튜브 라이너는 유리섬유 felt에 광개시제(photoinitiator)가 혼합된 광경화성 수지(photopolymer resin)을 함침시켜 제조한 하이브리드 형태로 튜브 라이너에 UV를 조사하면 수초에서 수분 사이에 빠른 속도로 경화가 일어나 기존 열경화법에 비해 높은 효율성을 보여주었다. 가장 최근에는 비굴착 현장 경화법이 ASTM F2019-20 (ASTM International, 2020)으로 개정되어 UV 광경화법에서 유리섬유 강화 튜브 라이너를 이용한 견인식(the pulled in place installation) 현장 경화법(Glass Reinforced Plastic Cured-in-Place, GRP-CIPP)이 표준 사례로 지정되었고, 튜브 라이너도 기존의 하이브리드 형태보다 강도가 크게 높은 100% 유리섬유 강화 튜브 라이너로 지정되었다.
국내에서도 100% 유리섬유 강화 튜브 라이너가 기존의 하이브리드 형태 튜브 라이너에 비해 굴곡강도는 6.2배, 굴곡 탄성률은 12배 높게 나타남으로써 튜브 라이너의 설계 두께를 35% 이상 줄일 수 있는 것으로 보고되었다(Ji et al., 2020). 이와 같이 UV 광경화법은 우수한 물리적 특성을 가지는 고강도 유리섬유 강화 튜브 라이너 이용, 경화시간 및 전체 시공 시간 단축, 튜브 라이너의 사전 제작 및 장기간 실온 보관 가능, 에너지 사용량 절감 및 온실가스 배출 저감 등의 장점을 가져 최근에는 비굴착 하수관로 보수 시장의 80% 이상을 차지하고 있다(Ji et al., 2020).
그러나 기존 UV 광경화법은 보일러 사용은 배제되었지만 광경화 시간과 작업 대기 시간을 포함한 전체 공정구간에서 디젤발전기를 연속 사용함으로써 전체 경화 공정 중 준비단계 및 경화 단계의 작업시간 소요가 길어지고 에너지도 과도하게 사용하는 문제가 있었다. 따라서 본 연구는 전력시스템의 안정화 및 효율화를 통해 UV 광경화 전체 공정시간을 단축하고 시공 안정성 및 시공 품질 향상을 위해 하이브리드 전력 시스템(UPS + 배터리 시스템)과 100% 유리섬유 튜브 라이너를 개발하여 지상 시험 시공과 현장 시공의 실증을 통해 검증하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 튜브 라이너(Tube Liner)
본 연구 및 현장 적용을 위한 UV 광경화용 100% 유리섬유 강화 튜브 라이너는 고강도 구현과 사용성을 향상시키기 위해 Fig. 1과 같이 국내 개발 및 제작하였다. 튜브 라이너 내부 필름(inner film)은 생산과정에서 이형제를 도포하여 UV 광경화 이후 필름의 박리 제거가 용이하도록 제조하였으며, 외부 다층 복합 필름(outer protective film과 outer resin layer)은 견인 과정에서 손상을 방지할 수 있도록 개량된 것이다.
또한 본 연구의 튜브 라이너는 팽창형 유리섬유 튜브 라이너로 고압 팽창 시 최대 10% 수준까지 팽창이 가능하므로 기존 유리섬유 튜브 라이너의 팽창률 3~6%보다 높은 값을 보여주며 관 밀착이나 곡관부 주름 발생 문제를 최소화할 수 있도록 개선되었다.
개발 및 생산된 유리섬유 강화 튜브 라이너는 유럽 표준(ISO 11296-4 part4 규격과 ASTM F2019-20 Standard Practice for Rehabilitation of Existing Pipelines and Conduits by the Pulled in Place Installation of Glass Reinforced Plastic Cured- in-Place (GRP-CIPP) Using the UV-Light Curing Method)의 ASTM에서 제시하는 기준으로 비교 평가하였다.
2.2 하이브리드 전원 공급 시스템(Hybrid power supply system) 및 UV 조사 시스템
2.2.1 하이브리드 전원 공급 시스템
하이브리드 전원 공급시스템은 UPS (uninterruptible power supply, 무정전 전원 공급장치)시스템과 디젤발전기로 구성된다. UPS 시스템은 UPS, 배터리, 진단시스템으로 구성되며, AC 전원으로부터 배터리를 충전 자장하고 정전 또는 배터리 용량 소진 시 AC 전원으로 자동 전환하여 전력을 공급하는 무정전 시스템이다.
산업용 UPS는 AC 입력, DC 충전, AC 출력 용량에 따라 다양하지만, 본 연구에서는 시공 대상에 효율적으로 대응할 수 있는 중소형급 UPS 시스템을 개발하여 이용하였다. 그리고 배터리 시스템 고장 등 비상 상황 대응 및 대형 관거 시공 시 충분한 출력확보 등을 위해 25 kW 디젤발전기를 함께 활용하여 하이브리드 시스템을 구축하였다. UV 광경화에 필요한 설비 전력은 12 kW이지만 전체 보수 현장 공사에서 필요한 전기공구 및 용적 작업 등에 대한 여유 전력 확보를 위해 25 kW 디젤발전기를 사용하였다. 하이브리드 시스템은 유선 방식의 UPS 배터리 감시 진단 시스템(battery management system, BMS)을 통해 32개 고용량 배터리 셀의 상태를 실시간 측정하여 배터리 충전, 잔량, 상태 표시, 저전력 시 배터리 by-pass 후 외부전원인 디젤발전기로 전력 공급을 자동 전환하게 설계되었다. Table 1은 본 연구 및 현장 실증에 사용된 UPS 사양을 보여주고 있다.
Table 1
Industrial UPS Model for 32 Battery Cells and Diesel Generator Model Used in This Study
전체 보수 현장 경화 중 UV 광경화는 시공 대상의 관경(diameter)에 따라 250~900 mm의 중소형 관의 경우에는 UPS와 배터리 시스템 단독으로 시공할 수 있게 설계하였다. 그리고 1,000~1,500 mm 대형 관에서는 디젤발전기에 의해 UV 광경화에 필요한 전력을 공급하도록 하였으며, 디젤발전기는 운전 중 항상 70% 이상의 출력을 제공하므로 UV 광경화에 소요되는 전력 이외 남는 전력은 UPS + 배터리 시스템을 통해 배터리에 충전될 수 있도록 함으로써 Fig. 2와 같이 에너지 효율이 높은 하이브리드 전원 공급 시스템을 구축하였다.
이는 ASTM F2019-20 (ASTM International, 2020)에서도 UV lamp 출력과 광경화에 대한 기준이 제시되어 있지 않아 본 연구에서 다수의 실험을 통해 보수관 관경에 따른 적정 출력과 경화시간을 산정하여 수행한 것이다.
2.2.2 보수관 관경에 따른 전원 공급 시스템과 경화 속도 및 최대 경화 거리 산정
시공 실험에 앞서 하이브리드 전원 공급 시스템에 의한 관경별 경화 속도와 최대 경화 거리 등의 적용 조건을 출력 조건과 에너지 효율 조건을 통해 Table 2와 같이 산출하였다. 900 mm 중형 관은 0.7 m/min의 경화 속도로 최대 128.9 m에 대해 시공이 가능하고, 1,000 mm 이상의 대형 관에서는 디젤발전기에 의한 전력 공급으로 최대 경화 거리 제한 없이 시공이 가능하도록 설계하였다.
Table 2
Power Supply Methods Based on Pipe Diameter Size and Estimated Working Time and Maximum UV Photo-curing Length
2.2.3 UV 조사 시스템(UV irradiation system) 및 UV 광개시제
시공 실험에 앞서 하이브리드 전원 공급 시스템에 의한 관경별 경화 속도와 최대 경화 거리 등의 적용 조건을 출력 조건과 에너지 효율 조건을 통해 Table 3과 같이 산출하였다. 900 mm 중형 관은 0.7 m/min의 경화 속도로 최대 128.9 m에 대해 시공이 가능하고, 1,000 mm 이상의 대형 관에서는 디젤발전기에 의한 전력 공급으로 최대 경화 거리 제한 없이 시공이 가능하도록 설계하였다.
Table 3
UV Irradiator Types and Specifications Used in This Study
| Properties | Type | ||
|---|---|---|---|
| Small irradiator | Middle irradiator | Large irradiator | |
| Pipe diameter | 250~400 mm | 450~900 mm | 1,000~1,500 mm |
| Power | 1,000~2,000 w X 1 | 1,000~2,000 X 3 | 1,000~2,000 X 6 |
| No. of UV lamp | 1 | 3 | 6 |
|
|
|
|
Electric cable reel (Fig. 3(a))은 UV lamp 점등 후 일정한 속도로 UV 조사 장치가 이동할 수 있도록 제어해 주는 역할을 하며, 전원공급장치(power supply)는 6개로 구성되어 UV lamp 1개당 하나의 전원공급장치를 통해 AC 삼상 380 V, 출력부는 DC 450 V로 최대 24 kW의 전력을 공급할 수 있도록 구성하였다.
본 연구에서 사용한 UV lamp (Fig. 3(b))는 metal halide UV lamp보다 투과력을 향상시킨 Gallium lamp를 제작하여 사용하였다. Gallium lamp는 갈륨의 고유한 파장인 403.2, 417.2, 425.1, 426.2, 639.6 nm의 장파장 UV가 조사되어 튜브 라이너 종심부까지 투과력이 좋으며, 유럽과 미주 지역에서도 비굴착 전체 보수 UV 광경화 공정에서 주로 사용하고 있다. 또한 비굴착 전체 보수 현장 경화관은 3~20 T 범위의 두께를 가지므로 두꺼운 경화물에 적합한 Gallium lamp로 405, 425 nm의 파장을 이용하였다.
UV lamp는 사용 연한에 따라 UV 강도가 감소하게 되는데, 일반적으로 UV lamp의 사용 수명은 초기 강도의 70% 수준으로 감소하는 1,000 hr로 알려져 있다. 본 연구에서 UV lamp의 사용 수명은 20%의 안전율을 고려하여 800 hr로 산정하여 연구를 진행하였다.
UV 조사 장치와 전원공급장치는 control panel의 PLC (Programmable Logic Controller)와 S/W로 제어되며 터치스크린의 사용자 인터페이스를 통해 운전자가 경화 조건을 설정하고 제어한다. 또한 UV 조사 장치에는 CCTV 카메라가 장착되어 경화 과정 전체에 대해 튜브 라이너 내부의 전면부 및 후면부 영상 확인으로 문제 상황에 대응할 수 있도록 하였다(Fig. 4).
UV 광개시제(UV initiator)는 유리섬유 튜브 라이너에 함침된 광경화수지에 혼합하여 사용하며, 광개시제가 UV에 의해 반응하여 폴리머로 전환되는 화학적 경화 과정이 진행된다. 광개시제는 고유의 흡수 파장과 흡수능을 가지므로 UV 광경화 대상물의 종류에 따라 적합한 광개시제를 선정해야 한다. 본 연구에 제작 및 사용한 Gallium lamp의 UV 조사 특성에 따라 따라서 본 연구에서는 신속한 경화 및 종심부 경화를 동시에 달성할 수 있도록 UVA 파장에 흡수력이 큰 IRGACURE 369 (Omnirad 369) 광개시제를 사용하였다. 본 광개시제의 명칭과 구조 등은 Table 4와 같으며, 색소가 함유된 UV 광경화에 특히 우수하다(Cho et al., 2003).
2.3 하이브리드 UV 광경화 지상 시험 시공
UV 광경화 시공에 앞서 사전 준비 단계로 ① UPS와 배터리 정상 가동 확인, ② UV 램프 점등 상태 확인, ③ UV 광조사 장치 센서류(온도, 압력, 거리 등) 상태 확인, ④ CCTV 모니터를 통한 전후방 카메라 상태 및 영상 확인, ⑤ PLC, 터치 모니터, 제어 프로그램의 정상 가동 확인, ⑥ 전동 케이블 릴 정상 가동 확인, ⑦ 디젤발전기, 하이브리드 전력 공급 변환장치 구동 확인 등의 매뉴얼을 수립하였다. 이 매뉴얼은 시험 시공과 현장 시공 단계에서 모두 적용하였다.
또한 현장 시공에 앞서 성능 실증을 위해 소형 관, 중형 관 그리고 대형 관에 대해 Table 5와 같이 지상에서 UPS 기반 하이브리드 전원 공급 시스템으로 시험 시공을 실시하였다.
Table 5
Hybrid UV Photo-curing Conditions for Small, Medium and Large-sized Pipes on the Ground Tests
시험 시공 및 현장 시공을 위한 광경화 수지의 특성 및 경제성 분석 등은 Table 6과 같이 항목별로 전문기관에 의뢰하여 수행하였다.
Table 6
A nalytical Methods f or C IP P Tube Liner
3. 결과 및 고찰
3.1 유리섬유 강화 튜브 라이너(Glass Reinforced Plastic Tube Liner, GRP)의 굴곡강도(Flexural strength)와 굴곡 탄성률(Flexural modulus) 및 내화학성(Chemical resistance)
본 연구의 UV 광경화 지상 시험 시공 및 현장 시공에 이용한 자체 개발 유리섬유 강화 튜브 라이너의 시공 안정성과 내구연한을 확인하기 위해 굴곡강도(flexural strength)와 굴곡 탄성률(flexural modulus) 평가를 실시하였다. 굴곡강도와 탄성률 실험은 국가표준인 KS M 3550-9 (Korean Standards Association, 2021)의 시험방법에 따랐으며, 분석은 ‘한국화학융합시험연구원’에서 실시하였다.
본 연구에서 개발 및 사용한 유리섬유 강화 튜브 라이너는 동일 시료에 대해 3회의 굴곡강도 분석을 실시하였으며, Table 7과 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 결괏값은 각각 251, 216, 242 MPa로 평균값이 236.3 MPa로 나타났다. 튜브 라이너의 굴곡강도에 대한 국가표준인 KS M 3550-9의 30 MPa에 대해 7.88배 높은 값으로 시공 안정성과 품질 성능이 매우 우수한 것으로 나타났다. 기존 기술들과 비교하기 위해 기존 UV광경화 기술인 건설신기술 851호, 581호와 비교하였을 때 독일 수입 제품인 건설신기술 851호의 튜브 라이너 강도는 현장 시공 시료를 기준으로 217.4~365.0으로 편차가 크게 나타났으나, 본 기술의 굴곡강도는 편차가 작게 나타나 보다 안정적인 시공 품질 유지가 가능할 것으로 기대되었으며, 581호와 대비해서는 매우 우수한 강도를 나타내었다. 특히 기존 열경화 기술에 사용되던 튜브 라이너의 강도에 비해서는 5.43배, 5.35배 더 높은 값을 나타내었다. 이는 본 연구 및 건설신기술 851호에서 사용한 튜브 라이너가 유리섬유 강화 튜브 라이너이기 때문이며, 최근에는 대다수의 경우에 시공 안정성 및 사용 연한 연장을 위해 유리섬유 강화 튜브 라이너를 이용하고 있다(Hong and Yang, 2020, Jang et al., 2020). 굴곡 탄성률(flexural modulus)도 평균 10.5 GPa로 국가표준인 KS M 3550-9의 1.9 GPa의 6.2배 높은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 사용한 100% 유리섬유 강화 튜브 라이너는 시공 품질뿐만 아니라 보수 후 하수관로의 수명 연한도 크게 높일 것으로 기대된다.
Table 7
Comparison of Flexural Strength and Flexural Modulus of Glass Reinforced Plastic Tube Liners (GRP) for UV Photocuring to National Standards (KS M 3550-9)
또한 강화된 튜브 라이너의 굴곡 탄성율은 튜브 라이너의 두께도 감소시킴으로써 지상시험 시공을 통한 시공품질 조사에서(Fig. 6 참조) UV 조사가 튜브 라이너 전체에 대해 안정적으로 이뤄지게 하였으며, 얇아진 튜브 라이너 두께는 보수관이 통수 면적을 확대하는 효과도 있는 것으로 나타났다. ASTM F1216의 비굴착 전체보수에 대한 현장 경화관 두께 산정방식에 의해 본 연구의 보수관 두께는 D450에 대해 2.51 mm, D1,500에 대해 8.39 mm로 기존 열경화 공법의 4.5 mm (D450)과 15.0 mm (D1,500)에 비해 크게 줄어들었다.
Fig. 6
Photos of Ground Tests Processes for UV Photo-curing Using Newly Developed the Five-story Glass Fiber Tube Liner
본 연구에서 사용한 유리섬유 강화 튜브 라이너의 내화학성(chemical resistance)을 질산, 인산, 황산의 3가지 항목에 대해 한국융합화학시험연구원에 의뢰하여 분석하였으며 그 결과는 Table 8과 같다. 비굴착 현장 경화관에 대한 국가 표준(KS M3550-9)의 내화학성은 튜브 라이너를 시험액(불산 49% 용액)에 30일간 침지시킨 후 굴곡 탄성률이 초깃값의 80% 이상이 유지되어야 한다. 본 연구에서 사용한 튜브 라이너의 내화학성은 Table 8과 같이 질산에 대해 초깃값의 93.3%, 인산에 대해 92.0% 그리고 황산에 대해 90.7%를 유지하여 국가표준을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
3.2 하이브리드 UV 광경화 지상 시험 시공 결과
현장 시공의 완성도를 높이기 위해 공장동 내에서 소형, 중형 그리고 대형 튜브 라이너를 대상으로 Table 9의 조건과 같이 전체 보수 현장 경화 지상 시험 시공을 실시하였다. 보수 대상 소형 관과 중형 관은 각각 D250과 D600의 TPH 파이프를 사용하였고, 대형 관은 D1,500의 PE 파이프를 사용하였다.
Table 9
The Results of UV Photo-curing Ground Tests for Small, Medium and Large-sized Pipes
소형 관의 UV 광경화는 Fig. 6(a)에 나타낸 바와 같이 하이브리드 전원공급, UV lamp, control panel, 유리섬유 튜브 라이너 및 광개시제 등이 모두 정상 작동하였으며, 목표 속도로 광경화가 완료되었다. 하이브리드 전원 공급 시스템은 UPS와 배터리만 사용하여 광경화에 필요한 전원을 모두 공급할 수 있었으며, 전체 작업시간은 UV lamp 점등 2분, 광경화 6분, 마무리 1분으로 총 9분에 모든 광경화 작업이 완료되었다. UV 조사 장치는 소형으로 약 2,000 W의 출력으로 목표 경화 속도인 1 m/min을 유지하였고, 광경화 과정에서 튜브 라이너의 압력은 0.04~0.05 MPa의 상태를 유지하였다. 광경화 완료 후 경화물에 대한 육안 검사 및 CCTV 검사를 통해 Fig. 5(a)의 사진과 같이 경화 상태가 매우 안정적임을 확인할 수 있었다.
Fig. 6(b)의 중형 관에 대한 지상 시험 시공에서도 모든 시스템이 정상 가동되었으며 이에 따라 UV 광경화도 정상적으로 완료되었다. 중형 관의 UV 광경화도 하이브리드 전원 공급 시스템의 UPS와 배터리만으로 수행되었으며, 전체 광경화 시간은 경화 로봇작동 및 점등에 3분, 광경화 7분, 마무리 1분으로 약 11분이었다. UV 조사 장치는 중형으로 약 6,000 W의 출력과 경화 속도 1 m/min을 유지하였으나 경화 작업 중 튜브 라이너 표면온도 상승으로 control panel에 의해 경화 속도가 1.4 m/min으로 자동 제어되어 안정성을 확인할 수 있었다. 튜브 라이너의 압력은 0.03~0.04 MPa을 유지하였다. 광경화 후 육안과 CCTV 그리고 두드림 검사를 통해 경화 품질이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
Fig. 6(c)의 대형 관 경화의 경화 로봇작동과 점등의 준비 단계(Preparation)와 마무리 단계(Final)는 UPS와 배터리를 이용하여 진행되었고, 광경화 단계에서는 하이브리드 전원 공급 시스템을 통해 디젤발전기의 전원을 이용하였다. 디젤발전기는 전체 공정시간 동안 계속 가동해야 하지만, 광경화 단계를 제외한 준비 및 마무리 단계에서는 잉여 전력이 UPS를 통해 배터리에 충전되었다. 전체 광경화 소요 시간은 전단계 4분, 광경화 단계 14분, 마무리 단계 1분으로 19분이었다. UV 조사 장치는 대형으로 약 12,000 W의 출력과 경화 속도 약 0.5 m/min을 유지하였으며, 튜브 라이너의 압력은 0.15~0.20 MPa을 유지하였다. 경화 작업 과정은 CCTV를 통해 모니터링하였으며 광경화 후 경화 상태는 Fig. 5(c)의 사진과 같이 매우 우수한 것으로 확인되었다.
3.3 지상 작업 기반 UV 광경화 시공 방식 적용에 따른 시공 안전성 및 시공 시간 단축 효과
노후관을 교체하는 굴착 방식의 하수관로 기존 보수 방식 대비 비굴착 공법은 공사 시간의 단축을 통해 교통 통제 문제, 소음과 분진 피해, 그리고 안전 문제 등을 저감할 수 있는 것으로 알려져 있다(Li et al., 2023). 이러한 비굴착 공법도 전체 보수 현장 경화 중 경화 방식에 따라 열경화와 UV 경화로 나뉘며, UV 경화도 전원공급시스템에 따라 디젤발전기 방식과 하이브리드 방식으로 분류된다(Kim, 2019).
본 연구의 UV 광경화는 하이브리드 전원 공급 시스템을 사용함으로써 보일러를 통한 열전달 방식의 기존 열경화와 달리 경화를 위한 설정온도까지의 승온시간이 필요하지 않으며, UPS를 이용한 하이브리드 전원 시스템을 통하여 UV 시스템에 대한 전원공급 안정성 및 신속성을 향상시킬 수 있었다. 기존 열경화는 보일러 가동 및 100 ℃의 증기 생산과 공급을 통해 경화관 내부 온도 60 ℃에 도달하는데 상대적으로 장시간이 소요되지만, UV 광경화는 UV lamp 점등에 1분밖에 소요되지 않으며, 또한 점등 후 빠른 시간 내에 경화관 내부 온도가 140 ℃에 도달하므로 램프 점등 직후부터 경화(curing)가 바로 진행되어 전체 공정시간이 크게 줄어들 수 있었다. Table 9는 본 연구를 포함하여 5가지 기술에 대한 공정별 작업시간을 분석한 것이며, 이는 D600 mm 현장 경화관에 대해 50 m 길이를 시공한 작업시간 분석 결과이다.
본 연구의 전체 작업시간은 Table 10과 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 Preparation (준비 단계), UV photo-curing (UV 조사 및 광경화 단계), Curing (양생 단계), Finish (마무리 단계)의 모든 단계에 대해 121 min이 소요되었다. 이는 열경화 기술인 건설신기술 855호의 전체 작업시간 245 min과 건설신기술 913호의 285 min 대비 49.4%와 42.5%에 불과하다. 기존 열경화 기술의 전체 작업시간이 길게 소요되는 것은 보일러 가동을 통한 증기 생산과 보수 대상 파이프 내부의 설정온도 도달시간 그리고 경화와 냉각에 장시간이 소요되기 때문이다. 또한 기존의 UV 광경화 공정인 건설신기술 581호와 851호의 전체 작업시간 대비해서도 각각 77.6%와 57.3%에 불과한 것으로 나타났다. 이는 기존 UV 광경화 공정과 비교해서 하이브리드 전원 공급 시스템으로 전력 공급의 신속성과 안정성이 크게 높아짐으로써 경화(Curing) 시간이 50 min으로 크게 단축되었기 때문이다.
Table 10
Comparison of Total Working Times for Trenchless Rehabilitation of Sewage Pipelines According to Construction Methods (Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement)
Fig. 7
Comparison of Working Times by Unit Operation for Trenchless Rehabilitation of Sewage Pipelines According to Construction Methods
또한 기존 UV 광경화 기술들은 Preparation (준비단계)의 UV 조사 장치 삽입과 packer 체결 작업이 좁은 맨홀 내부에서 수행되어 시공의 불편함과 안전성 문제 그리고 실제 시공 시간의 연장에 대한 우려가 있었다. 이에 반해 본 기술은 Fig. 8과 같이 동일 작업이 지상에서 수행됨에 따라 시공 안전성이 크게 개선되었다. 본 기술은 튜브 라이너 견인 후반부에 튜브 라이너 말단부가 지상에 거치되면 튜브 라이너 견인 작업을 일시 중지하고 지상에서 튜브 라이너 말단부를 개방하여 UV 조사 장치를 삽입하고 packer를 체결하는 방식으로 건설신기술 중에서 처음 개발되어 시공에 사용된 공법이다.
4. 결 론
본 연구는 하이브리드 전기 이용 UV 광경화법과 성능이 개선된 튜브 라이너 개발을 통해 시공 안정성, 하수관 보강 성능 향상 그리고 시공 시간 단축을 달성하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 본 연구를 통해 개발된 UV 광경화용 100% 유리섬유 강화 튜브 라이너의 굴곡강도(flexural strength)와 굴곡 탄성률(flexural modulus)은 각각 236.3 MPa과 10.5 GPa로 KS M3550-9의 기준인 30 MPa과 1.7 GPa의 각각 7.88배와 6.2배로 나타났다. 또한 내화학성 평가에서도 질산, 인산, 황산에 대한 국가표준(KS M3550-9)인 초기 굴곡 탄성률의 80% 이상 대비 각각 93.3%, 92.0%, 90.7%로 크게 높은 값을 나타냄으로써 시공 품질 향상과 시공 후 수명 연한도 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
2. 현장 시공의 안정적인 작업 수행을 위한 하이브리드 UV 광경화 지상 시험 시공을 보수관경 D250, D600 그리고 D1,500에 대해 실시하였으며, UPS와 배터리, UV lamp, UV 광조사 장치의 sensors, 경화관 내 CCTV, PLS, 터치 모니터, 제어 프로그램 등이 정상 가동됨을 확인하였다. 그리고 UV lamp 점등, 광경화, 마무리까지의 시공 시간이 각각 9, 11, 19 min이 소요되었고, 광경화 시공 후 보수관 품질도 우수한 것으로 나타났다.
3. 현장 시공을 통한 기술 실증을 위해 D600 현장 경화관의 50 m 구간에 대한 전체 작업시간 평가에서 Praperation (준비 단계) 55 min, UV photo-curing 51 min, Finish (마무리) 15 min으로 전체 작업시간은 총 121 min이 소요되었으며, 이는 기존 UV 광경화 공법에 비해 작업시간이 크게 단축된 것이다. 또한 UV 조사 장치 삽입과 packer 체결 작업이 지상에서 수행됨에 따라 시공 안전성이 크게 향상되었다.
이러한 결과를 바탕으로 향후 에너지 절감 및 대기오염 배출 저감이 가능한 비굴착 현장 경화 공법과 UV photo-curing 공법에서 발생할 수 있는 화재 예방형 공법 등을 지속적으로 개발할 계획이다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
