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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(3); 2017 > Article
지중 관망 매설 시 지하공동 억제를 위한 물리 및 화학적 보강기법 연구

Abstract

The deterioration of water and sewage pipes in urban areas has been regarded as the primary cause of underground cavities, which have frequently been occurring in urban areas. It is noted that railways in service through the urban areas travel over the underground utilities, so it is imperative to establish a methodology to mitigate such damages. In this study, we carried out the laboratory test and numerical analysis in order to evaluate the effectiveness of physical and chemical treatments to mitigate underground cavitation caused by pipe breakage and deterioration. The test results had shown that the application of geosynthetic material and controlled low strength material (CLSM) seems to play a significant role in preventing the development of underground cavities from the deteriorated pipe by yielding less ground surface settlement and pipe responses due to repeated loading. A limited numerical analysis confirmed the test results as well.

요지

최근 도심지역에서 지하공동의 발생 빈도가 급증함에 따라 사회적 불안이 야기되고 인적 재해도 발생되고 있는 실정이다. 도심지를 관통하는 철도 노선의 경우, 노선 하부 주변에 지하공동의 주 발생원인인 지중매설관 많이 분포해 있으며 도심지의 지하 공간 개발 또는 지하매설관의 파손 및 노후화에 의한 피해 발생 가능성이 있을 것으로 판단되며 이에 대한 검토가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 철도 노선 주위에 상하수도 관로 매설 시 관로 파손 및 노후화에 따른 지하공동 발생을 억제하기 위한 물리적 화학적 보강기법을 연구하고자 실내실험 및 수치해석을 실시하였다. 실험결과, 관 매설 시 토목섬유와 CLSM을 적용한 경우 관 파손에 의한 지하공동 전이를 억제하는 것을 지표면 침하량 및 파이프 거동을 통해 확인하였고 이를 제한적인 수치해석을 통해 검증하였다.

1. 서론

최근 서울시가 발표한 자료에 의하면 지하공동은 서울에서만 2010년 하반기부터 현재까지 가로 세로 2 m 이상인 대형 지하공동이 14건 발생하였고, 이외에 인천 및 경기지역에서도 지하공동 발생 사례가 증가하는 추세이다(Seoul Metropolitan Government, 2015). 지하공동의 주 발생 원인으로 하수관 손상에 의한 토사유실이 가장 많았으며, 계절별로는 여름에 발생빈도가 가장 높았다(Seoul Metropolitan Government, 2015). 관망 노후화 이외에 지하매설물 매설시 굴착복구 미흡으로 인한 장기압밀침하 유발이 가장 큰 원인으로 지목되고 있다. 또한, 인구밀도가 높은 경기도 지역에서도 지하공동이 지속적으로 발생하고 있으며, 발생 원인으로 상하수관(우수관)포함 파손으로 인한 누수 및 토사유실이 33건으로 가장 많았고, 그 외 굴착공사나 관거 공사 후 다짐 불량에 의한 원인이 뒤를 이었다(Oh et al., 2017). 현재까지 발생한 지하공동은 주로 도로변이나 지하철 공사구간에서 발생되어 왔으며, 광역철도나 일반철도 주변에서 발생한 사례는 국내에서 보고되고 있지 않다. 그러나 도심지를 관통하는 철도 노선의 경우, 노선 하부 주변에 지하공동의 주 발생원인인 상하수도 관로가 많이 분포해 있으며(Fig. 1), 도심지의 지하 공간 개발 또는 지하매설관의 파손 및 노후화에 의한 피해 발생 가능성이 있을 것으로 판단되므로 이에 대한 검토가 필요한 실정이다.
Fig. 1
Example of Pipe Distribution Around the Railway (Oh et al., 2017)
KOSHAM_17_03_257_fig_1.jpg
이와 관련된 선행연구로 Ahmed(2013)는 지하공동 현상을 실험과 수치해석 방법을 이용하여 해석하였으며, 해석 결과 지하공동 발생 지역을 보수를 할 경우 적어도 지하공동의 직경의 2배에 해당하는 지역을 보수해야 할 필요성을 해석 및 실험결과를 통해 검증하였다. Kinney(1986)는 얼음을 매설한 후 점진적인 용해에 따른 공동을 형성하였으며 토목섬유 보강 실험을 실시하여 보강 효과를 검토하였다. Villard et al.(2000)은 도로나 철도노반에서 국부적으로 발생되는 지하공동에 대한 방지책으로 토목섬유시트(Geosynthetic)를 이용한 보강법 연구를 현장 실험 및 수치해석을 통해 수행하였으며, 토목섬유 시트의 강성에 따른 설계도표를 제시하였다. Lei et al.(2005)은 중국 Wuhan 지역에서 발생한 싱크홀의 원인을 규명하기 위한 실대형 실험을 수행하였으며, 용식지 지하수위가 1.337 cm/s 이상의 속도로 감소할 경우 싱크홀의 발생 확률이 증가함을 실험적으로 검증하였다. 경기개발연구원 보고서에 의하면(Lee et al., 2014) 지하수위를 측정하는 국가지하수 관측망과 보조지하수 관측망을 운영하고 있으나 지점수 부족으로 인한 연계 연구가 어려운 상황인 것으로 보고하고 있다. Poorooshasb(2001)은 싱크홀에 지오텍스타일로 보강된 자갈매트를 위치시키고 수치해석과 ID (Integro-Differential equation)기법을 통해 침하량 평가를 기반으로 보강효과를 확인하였다. 매우 조밀한 자갈매트에서 지오텍스타일 보강재는 공동이 확장될 소지를 차단하는 역할을 하며 중간정도 조밀한 자갈매트와 최소 다짐도의 자갈매트에서는 자갈매트 표면의 침하를 줄이는 매우 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다. 지하공동의 주원인으로 지목된 상하수도 관망의 뒤챔움재 관련된 선행연구로, Lee et al.(2013)는 실내시험을 통해 산업폐기물인 석탄회를 활용한 관거뒤채움용 재료인 Controlled Low- Strength Material (CLSM)의 공학적 특성을 조사하여 관거채움용 채움재로서의 사용가능성을 파악하고 최적의 배합비를 제시하였다. Nam et al.(2013)은 하중재하 전, 후의 지표침하량, 매설관의 변형률을 분석한 결과, CLSM의 관거 뒤채움재로써의 적용 가능함을 확인하였다. Boschert and Butler (2013)는 CLSM 타설시 수정된 Marston 방정식 적용을 하여 관거에 작용하는 상재 하중에 대한 영향을 검토한 결과, 굴착 면 폭 대비 관의 외경 비율에 의해 감소될 수 있는 하중 전달 매커니즘을 보여주었으며, Lianxing Du et al. (2008)은 CLSM을 관거뒤채움재로 적용하기 위한 재료 및 시공 기준안을 제시하였다. 기존의 연구에서는 국내 도심지에서 발생하고 있는 지하공동 메커니즘을 고려한 보강 및 방재기법 관련한 연구가 미흡한 실정이며, 이에 본 연구에서는 파손된 관망으로의 토사유입에 따른 지하공동을 모사하기 위한 모형토조 시스템을 활용하여 물리적 화학적 보강기법에 대한 적용성 평가를 하고자 하였다.

2. 물리 및 화학적 보강 재료

2.1 물리적 보강 재료

본 연구에서는 지중 관망 매설 시 물리적 보강기법으로 토목섬유시트 일종인 PET Mat를 활용하고자 하였다.

2.1.1 PET 메트(Polyester Mat) 특성

PET 메트는 폴리에스테르 섬유를 직조하여 생성되며, 연약지반에 시공장비가 진입할 때와 흙 쌓기를 단계적으로 시행할 때 흙더미의 함몰 및 활동파괴 방지를 목적으로 메트를 부설하여 지지력을 증가시키기 위해 사용된다. 지오그리드나 지오텍스타일과 달리 섬유 조직으로 연약지반 표층처리공법에 적용 시 뛰어난 배수효과와 토사분리효과를 발휘한다. 본 연구에서 사용한 ㅇㅇ사의 PET Mat의 물성은 Table 1과 같으며 형상은 Fig. 2와 같다.
Table 1
Property of PET Mat
Weight Hydraulic Characteristics Physical Characteristics Material Fabric width
Permeability coefficient Permeability Tensile strength Tensile elongation Seam strength
Methods KS K ISO 11058 KS K ISO 10319 KS K ISO 10321 KS K 0210
g/m2 m/sec S-1 kN/m % kN/m m
Unit
DM05 150 1×10-5 0.02 50/50 20/20 25 Polyester 3.60
DM10 300 1×10-5 0.02 100/100 20/20 50 Polyester 3.60
Fig. 2
PET Mat Used
KOSHAM_17_03_257_fig_2.jpg

2.2 화학적 보강재료

2.2.1 관거뒤채움재 CLSM특성

관거뒤채움공사 시공법 기준(Ministry of Land, Infrastructure and Transport in Korea, 2016)에는 양질의 토사를 이용하여 뒤채움시 노체(관 주위) 90%, 노상(관 상단) 95% 이상의 다짐도를 확보하도록 명시되어 있다. 그러나 관거뒤채움공사는 24시간 이내 관로 매설 및 다짐이 모두 완료되어야 하기 때문에 다짐도 확보가 어렵고 지장물 장애 등의 이유로 다짐 불량이 발생할 수 있으며 향후 문제를 야기 시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자 개발된 관거뒤채움 재료가 CLSM이며, 자기다짐을 통한 뒤채움 시공의 단순화를 위해 유동성을 확보한 것으로, 포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬, 물, 골재 혹은 현장 발생토사 등과 기타 혼화제로 구성된다. 본 연구에서는 기존 연구 결과 (Lee, 2013)를 토대로 재령 1일강도 0.2 MPa 이상, 재령 28일 강도 1.0~1.5 MPa 이내의 일축강도 기준을 만족하고 재 굴착이 용이한 석탄회 CLSM 배합비(매립회와 비회 80:20, 시멘트 9%, 함수비 29%)를 사용하였다.

3. 실내실험을 통한 보강기법 적용성 검토

3.1 지하공동 모사 시스템 구축

본 연구에서는 지중 관망의 노후화 및 손상등에 기인한 토사유실에 따른 지하공동을 모사하여 지하공동의 전이를 최소화하기 위한 보강기법들을 검토하기 위한 지하공동모사 시스템을 Fig. 3(a)와 같이 구축하였다. 모형토조는 철판으로 규격(폭 40 cm, 높이 50 cm, 길이 60 cm)로 제작, 앞면을 아크릴판으로 구성하여 지반 변이를 관찰할 수 있도록 하였다.
Fig. 3
Underground Cavity Simulation System
KOSHAM_17_03_257_fig_3.jpg
모형지반 재료는 표준사 및 쇄석을 Fig. 3(b)처럼 구성하였으며, 표준사를 진동다짐으로 4층 다짐을 수행하여 상대밀도 80%를 확인하였다. 파이프 매설시 직경 26 mm(외경) PVC 파이프를 U-type으로 연결하여 모형지반 중앙에 배치하였고 양 끝단을 통해 펌프로 양수하여 물이 유입될 수 있도록 설계하였다. 파이프에 인위적으로 8 mm 구멍을 형성, 손상된 파이프를 모사 하였으며(중앙부 손상, 다중 손상, Fig. 3(c) 참조), 파이프 상부면을 따라 6개의 스트레인 게이지를 등간격으로 부착하여 반복하중재하에 의한 파이프 거동을 모니터링 하였다. 하중조건으로는 반복하중(0.1초 재하 0.9초 제하)을 10,000회 재하할 수 있도록 하였으며, 재하판 하부에 토압계를 설치하여 50 kPa 하중이 재하 되도록 조정하였다. 재하판 크기는 경계조건에 의한 구속을 최소화하기 위해 전체면적의 1/5으로 하였다.

3.2 실험 조건

본 연구에서는 시험체 조성, 파이프 누수 시험, 무보강에 따른 누수 시험 조건, 보강에 따른 누수 시험 조건 등의 순서로 실험을 진행하였으며 각 시험 단계에 대한 절차는 다음과 같다.
• 파이프 누수 시험
  • 1) 1Hz의 주기를 갖는 50 kPa 크기의 반복하중 재하, 반복재하횟수 10,000회(시험시간, 2시간 48분 소요)

  • 2) 손상된 파이프에 초당 92 cm3 유량을 공급하여 토사 유실을 모형화하였으며 유량은 예비실험을 통해 적정량 산정

  • 3) 시간 별 표면 연직변위, 재하판 하부토압, 파이프 상면 변형률 측정

• 무보강에 따른 누수 시험조건
  • 1) 중앙부 손상 파이프 선택

  • 2) 파이프 누수 유무에 따른 지하공동 발생확인

  • 3) 지하공동 발생유무에 따른 표면상태 및 표면 연직변위 비교

• 보강에 따른 누수 시험조건
  • 1) 토목섬유 PET Mat 보강 전/후 조건 비교(보강 위치 및 방법, PET Mat 인장강도, 파이프 손상정도)

  • 2) CLSM 보강 전/후 조건 비교(보강 영역 및 CLSM 재령 일수, 파이프 손상 정도)

3.3 실험 결과 분석

무보강 조건에서 유량공급 유무에 따른 토사유실 지하공동 모사 실험 결과(Table 2), 유량을 공급하지 않고 반복하중울 재하하였을 때 표층의 침하량은 약 2.67 mm정도 발생하였으나 2시간 48분의 시험소요 시간동안 지반이 함몰되지 않은 반면, 유량을 공급한 경우 약 26분 만에 표층에 공동이 급격한 변위와 함께 발생하여 시험을 중단하였으며, 이는 유량공급 시 지하공동 모사 시스템 적용성을 검증한 것으로 판단된다. 다음은 손상된 파이프에 PET Mat로 보강할 시 토사유실에 따른 지하공동에 대한 보강효과를 검토하였다. PET Mat를 이용한 보강기법 적용성 검토를 위하여 Fig. 4에서처럼 파이프 직경(D) 기준 파이프 상부 1, 3D에 설치하였으며, 마지막으로 손상된 파이프를 감싸는 형태로 보강을 하였다. 실험결과(Table 3), PET Mat를 펼쳐서 1, 3D 위치에 보강할 시 공동 형성에 따른 과도한 변위 발생을 지연시킴으로서 급작스러운 지반함몰을 막는 것을 확인하였다. Fig. 4(a), 4(b) 처럼 PET Mat 보강 위치가 파이프에 근접하고 토목섬유 인장강도가 클수록 지연시간이 증가하였으며, Fig. 4(e) 처럼 공동이 PET Mat 하부까지만 발생하는 것을 확인하였으며 Fig. 4(d)처럼 공동이 표층으로 전이되는 것을 막아 표면 땅 꺼짐이 발생하는 것을 차단하는 효과를 확인하였다. Fig. 4(c)처럼 손상된 파이프 표면에 PET Mat를 1겹으로 감싸 보강하였을 때 토사유실이 억제되어 파이프 주변에 공동이 발생하지 않았으며 표면 연직변위가 무보강 조건 대비 약 88~90% 감소하여 가장 이상적인 보강효과를 나타냈다. 또한 다중 손상파이프를 대상으로 1겹으로 감싸 보강할 경우에도 공동이 발생하지 않았고 표면연직변위가 약 86% 감소하는 등 유사한 보강효과를 나타내었다.
Table 2
Experimental Results of Unreinforced Condition
Reinforcement condition Unreinforcement case
Pipe Status Central damage pipe
Leak condition No Leaks Leak
Upper soil pressure (kPa) 48 49
Surface settlement (mm) 2.67 13.5
Duration Time* 2hr 48min 26min 11sec
Surface condition KOSHAM_17_03_257_fig_4.jpg KOSHAM_17_03_257_fig_5.jpg

* Time to the point where no further experiments are possible due to excessive displacement or cavitation

Fig. 4
Test Conditions for PET Mat Applications and Pictorial Results
KOSHAM_17_03_257_fig_6.jpg
Table 3
Experimental Results of PET Mat Application
Reinforcement condition Geosynthetic Reinforcement case
Leak condition Leak PET Mat with 5ton/m PET Mat with 10ton/m
Pipe Status Central damage Multiple damage
Location and method 1D 3D 1 wrapped 1D 3D 1 wrapped 1 wrapped
Upper soil pressure (kPa) 52 50 49 49 50 51 51
Surface settlement (mm) 12.46 43.25 1.53 12.65 12.67 1.31 1.85
Duration Time 37min 07sec 30min 51sec 2hr 48min 1hr 06min 1hr 05min 2hr 48min 2hr 48min
Duration effect (%)* 22.1 18.4 100.0 39.3 38.7 100.0 100.0

* Ratio of testing duration time with respect to the time of test completion without failure

토목섬유 보강에 따른 파이프 상면 인장 변형률 분석 결과(Fig. 5 참조), 토목섬유를 파이프에서 3D로 이격하여 보강한 경우 1D 조건에 비해 누수 후 파이프 손상부위인 중앙부에서의 인장변형률 값이 크게 증가하였다. PET Mat로 파이프 단면을 감싸 보강한 경우 누수 전/후 손상부위에서의 인장변형률 차이가 크게 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 장기적인 반복하중 재하에 대한 파이프 자체의 거동에 대한 안전성을 확보함으로써 지하공동이 전이 억제 효과가 있을 것으로 판단된다.
Fig. 5
Comparison of the Variation of Pipe Strain for Different PET Mat Applied Conditions
KOSHAM_17_03_257_fig_7.jpg
본 연구에서는 CLSM을 활용한 화학적 보강기법을 적용하기 위하여 파손된 파이프에 대한 CLSM 보강영역 및 재령일수에 대한 영향을 살피기 위해서, Fig. 6과 같은 조건을 고려하여 CLSM 보강실험을 실시하였다. 즉, CASE 1 경우 중앙부 및 다중 손상 파이프를 대상으로 실험을 수행하였고, 파이프 저면까지만 CLSM을 적용하여 재령 1일 경과 후 실험을 수행한 반면, CASE 2 경우 다중 손상 파이프를 대상으로 재령 1일 및 7일 경과 후 실험을 하되, 파이프 저면 하부로 직경만큼 뒤채움재 포설 영역을 확대하여 실험을 수행하였다.
실험 결과, 재령 1일 CLSM으로 중앙부 손상 파이프에 대하여 보강할 경우(Fig. 6(a)), 표면 연직변위가 공동발생시 측정된 연직 변위에 비해 86.3%가 감소하였고 공동 발생을 차단하는 등 보강효과를 보였으나 다중손상파이프에 대하여 보강할 경우(Fig. 6(b)), 표층에 3개의 공동이 발생되는 등 파이프 손상정도에 따라 적절한 보강효과를 보이지 못했다. 파이프 저면 하부까지 보강하기 위한 CASE2, 재령 1일 CLSM으로 다중손상파이프를 보강한 경우(Fig. 6(c)), 공동발생에 비해 표면 연직변위가 64% 감소하였고 공동 발생을 차단하였으나 일부 토사유실의 흔적이 발견되는 등 국부적인 보강효과를 보여주었다. 이는 CLSM 강도 부족에 따른 CLSM 파손이 원인으로 판단되어 CLSM 재령 7일 CLSM으로 다중손상파이프를 보강한 결과(Fig. 6(d)), 표면연직변위가 공동발생에 비해 85% 감소하였고 공동발생을 차단하는 등 표층 침하량 저감 및 공동발생 방지 등 적절한 보강효과를 나타냈다(Table 4).
Fig. 6
Test Conditions for CLSM Applications and Pictorial Results
KOSHAM_17_03_257_fig_8.jpg
Table 4
Experimental Results of CLSM Application
Reinforcement condition CLSM Reinforcement case
Leak condition Leak Reinforcement condition
CASE 1 CASE 2
Pipe Status Central damage Multiple damage
Age (day) 1 1 1 7
Upper soil pressure (kPa) 49 50 48 49
Surface settlement (mm) 1.79 3.12 4.69 2.01
Duration Time 2hr 48min 26min 50sec 2hr 48min 2hr 48min
Duration effect (%) 100 16.0 100 100
CLSM 보강에 따른 파이프 상면 변형률 분석 결과, CASE 1(Fig. 7(b))과 CASE 2(Fig. 7(e)) CLSM으로 보강한 경우, 누수 전/후의 파이프 인장변형률 차이가 크게 발생하지 않았으며 공동의 발생이 차단되었다. 반면 공동 발생 및 토사유실 흔적이 발견되는 등 보강효과가 제대로 발현되지 않은 경우(Fig. 7(c), 7(d)), 누수 후 인장변형률 값이 크게 증가하는 것을 확인하였다. 이는 지하관망 매설시 뒤채움재로 CLSM을 적용할 경우, 파이프 하단 소요의 깊이까지 뒤채움을 하는 경우가 장기적으로 파이프 손상에 대한 보강효과를 보여 궁극적으로 지하공동 억제 효과가 있을 것으로 판단된다.
Fig. 7
Comparison of the Variation of Pipe Strain for Different CLSM Applied Conditions
KOSHAM_17_03_257_fig_9.jpg

4. 수치해석을 통한 보강기법 평가

4.1 재료 및 지반 물성치

파이프 노후에 따른 표면 침하 및 관거 변형 거동을 확인하고 실내시험을 통해 도출된 보강기법의 적용성을 검토하기 위해 유한요소프로그램인 PLAXIS 2D를 이용하여 수치해석을 수행하였다. Tables 56에서의 할선강성에 따른 PET Mat의 물성치 및 CLSM 재령 일에 따른 물성치는 기존 문헌조사를 통해 결정하였다(Villard, 2000; Park et al., 2013). 원지반과 토사 뒤채움재는 탄소성모델(Mohr- Coulomb), 파이프와 보강재(PET Mat 및 CLSM)는 선형탄성모델(Linear Elastic) 적용하였으며 하중조건은 등분포 하중 50 kPa로 가정하였다. 원지반은 지하공동의 발생이 주로 사질토 지반에서 발생하는 사례가 다수를 차지하므로 사질토로 구성하였으며 토사 뒤채움재의 물성치는 다짐기준에 따라 노체 90% 다짐도를 대변하는 물성치 값을 적용하였다(Table 7).
Table 5
Physical Properties of PET Mat
Properties PET Mat wrap
EA (kN/m) 1800 3600 7200 10800
Poisson’s ratio 0.3 0.3 0.3 0.3
Table 6
Physical Properties Due to CLSM Age
Properties Age
1 Day 7 Day 28 Day
Unit weight (kN/m3) 18.64 16.68 15.50
Cohesion (kN/m2) 33.4 35.3 35.3
Friction angle (deg) 11.8 51.6 54.8
Elastic modulus (kN/m2) 35218 81217 113992
Poisson’s ratio 0.3 0.3 0.3
Table 7
Physical Properties of Backfill and Soil
Properties Type
Sandy soil 90% compacted Soil
Unit weight (kN/m3) 17 18
Cohesion (kN/m2) 0 1
Friction angle (deg) 30 25
Elastic modulus (kN/m2) 20000 60000
Poisson’s ratio 0.32 0.3
본 연구에서는 연성관 노후정도에 따른 물성치 결정을 위해 Hashash(1991)가 제안한 Power law model을 사용하였다. 이 식은 시간함수에 따른 고밀도 폴리에틸렌 파이프 탄성계수를 결정하기 위해 만들어졌으며 장기간 공용 성능을 평가하기 위해 50년동안의 탄성계수를 예측할 수있는 식이다. 탄성계수 E(t)의 단위는 psi, 시간 t의 단위는 hour를 사용하며 Power law model 식은 Eq. (1)과 같다.
(1)
E(t)=67779t0.0859
Eq. (1)과 문헌 Hashash(1991)을 통해 파이프 물성치를 Table 8과 같이 결정하였으며, Fig. 8은 50년까지 예측된 고밀도 폴리에틸렌 파이프 탄성계수 추이를 보여준다.
Table 8
Physical Properties of HDPE Pipe
Time Properties
Elastic modulus (kN/m2) EA (kN/m) EI (kN/m2) W (kN/m/m) Poisson’s ratio
Initial 689475.7 6182.0 2.3 0.159 0.35
1 hr 467319.7 4190.1 1.5
1 month 265249.6 2378.3 0.9
1 year 214265.9 1921.2 0.7
10 year 175813.8 1576.4 0.6
50 year 153112.8 1372.8 0.5
Size Outer diameter (mm) Inner diameter (mm) thickness (mm)
690.9 609.6 5.588
Fig. 8
Estimated HDPE Elastic Modulus Up to 50 Years
KOSHAM_17_03_257_fig_10.jpg

4.2 단면 모델링

본 수치해석에서는 토사를 이용한 일반적인 관거 뒤채움 모델을 무보강 조건으로 가정하였다. 굴착 폭은 실내실험 조건과 비교하기 위해 3D (1.83 m)로 설정하였으며 높이는 2.415 m로 설정하였다. 관 주위의 노체 구간은 다짐도 90%를 대변하는 물성치를 적용하였고, CLSM 보강영역은 폭 3D (1.83 m), 두께는 파이프 상하면에 0.5D씩 적용하여 2D (1.22 m)로 설정하였다. 원지반은 사질토(가로: 12 m, 세로: 9 m)로 설정하였다. Figs. 9~10은 각각 일반토사뒤채움와 물리적/화학적 보강기법이 적용된 관거 뒤채움 모델링 단면을 나타낸다.
Fig. 9
PET Mat Reinforcement Modeling Section
KOSHAM_17_03_257_fig_11.jpg
Fig. 10
CLSM Reinforcement Modeling Section
KOSHAM_17_03_257_fig_12.jpg

4.3 수치해석 결과

본 수치해석에서는 시간경과에 따른 파이프 노후화에 대하여 물리적 보강기법인 PET Mat의 할선강성 증가에 따른 영향, 그리고 화학적 보강기법인 CLSM의 재령일수에 따른 보강효과를 검토하였다. 시간에 따른 파이프 노후화에 의한 표면 침하 및 관거 변형 거동을 확인하기 위해 파이프 노후화 비교 단계를 1시간, 1달, 1년, 10년, 50년 등 총 5단계로 나누었으며, 표면 침하량, 파이프 연직 변위, 좌굴 휨 모멘트 등을 검토하여 보강기법 적용성 여부를 평가하였다. 분석 결과, Fig. 11에서 볼 수 있듯이, PET Mat 보강기법 적용 시 보강 전/후 표면 침하량은 소폭으로 감소한 반면 및 관거 연직 변위량은 상대적으로 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Fig. 12에 의하면, CLSM 보강기법 적용 시 보강 전/후 표면 침하량에 비해 관거 연직변위량, 좌굴 휨모멘트가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 지하공동이 주로 지하관망의 노후화에 기인한 점을 고려하면, 할선강 성이 큰 PET mat를 적용하거나 관거 뒤채움으로 CLSM을 적용할 경우 반복교통하중에 대한 관자체의 거동을 구속함으로써 지하공동 발생 억제 효과가 있을 것으로 사료된다.
Fig. 11
Modeling Results of PET Mat Application
KOSHAM_17_03_257_fig_13.jpg
Fig. 12
Modeling Results of CLSM Application
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5. 결론

최근 도심지역에서 지하공동의 발생 빈도가 급증함에 따라 사회적 불안이 야기되고 인적 재해도 발생되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 철도 노선 주위에 상하수도 관로 매설 시 관로 파손 및 노후화에 따른 지하공동 발생을 억제하기 위한 보강기법연구를 하고자 하였다. 지하공동 발생원인 중 대부분이 매설된 상/하수도 관망의 (노후화)손상에 의한 토사 유실인 점을 고려하여 토사유실에 따른 지하공동을 모사하고 물리적(PET Mat) / 화학적(CLSM) 처리에 따른 보강기법 적용성 여부를 평가하기 위해 실내실험 및 수치해석을 실시하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다.
  • (1) PET Mat 적용 위치가 파이프에 근접하게 보강될수록, 인장강도가 클수록 과도한 변위의 발생 시간이 지연되고 궁극적으로 표층으로의 지하공동 전이를 억제하는 효과가 있음을 확인하였다.

  • (2) 파이프 손상정도와 상관없이 PET Mat를 1겹으로 감싸 보강하였을 때 가장 이상적인 보강효과를 나타났다.

  • (3) 최근 관거뒤채움재로 활용되고 있는 CLSM을 적용한 실내실험 수행결과, 보강영역을 파이프 상하면으로 하고 7일 재령강도를 확보하였을 때 반복하중에 대한 파이프 거동을 억제함으로써 지하공동 발생을 제어하는데 효과적임을 확인하였다.

  • (4) 파이프 노후화 영향을 살피기 위한 수치해석 수행 결과, PET Mat 할선강성이 증가할수록 관거 연직 변위량을 억제하는 효과가 있음을 확인하였으며, CLSM적용 시 관거 연직 변위량, 좌굴 휨모멘트가 크게 감소하는 것을 확인하였다.

  • (5) 실내실험 및 수치해석을 통한 보강기법 적용성 평가 결과, 도심지 철도 주변 지중매설물 신설 및 이설 시 물리 및 화학적 처리를 적용할 수 있는 실용화 연구가 필요하다고 사료된다.

감사의 글

본 연구는 한국철도시설공단 연구용역사업인 “스마트 철도노반 평가를 통한 싱크홀 방재기법 개발 연구” 과제의 일환으로 이루어졌습니다. 이에 감사드립니다.

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