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- · 강판은 자체중량이 있기 때문에 비계의 조립 및 해체 횟수가 많게 되며 강판의 시공성을 아라미드 섬유쉬트의 시공성과 비교하면 나쁘다. 보수/보강을 위한 시공시간이 짧은 경우에는 공사비가 높아질 수 있으므로 이러한 경우에는 아라미드 섬유쉬트를 사용한다.
- · 건설 중에 노반이 부풀어 오르고 측벽이 밀여나오는 등의 변상이 관측되었다.
- · 균열은 아치, 측벽, 맨홀 등 각 장소에서 발견되었다. 특히 96k910m 부근에서는 측벽이 밀려나옴에 따라 단면축소가 진행되었고 1973년에 인버트를 설치하였지만 그 후 측벽부의 수평균열, 천단부의 압좌, 콘크리트 라이닝 시편의 박락이 발생하였다.
- · 내적요인 : 인버트가 없어 측벽은 측압에 약한 구조이다. 또한 전체적으로 콘크리트 라이닝 두께 부족인 것이 확인되었다.
- · 노반의 부풀음에 의한 노선측 구의 변형, 노반부상이 관측되었다.
- · 매우 얇은 섬유쉬트를 접착하기 때문에 내공단면의 감소를 억제하는 것이 가능하다.
제안 방법
- · 터널 건설 중에 변상이 발생하여 보강지보재 및 보강 콘크리트로 보수를 실시하였다.
- 공용중인 재래식 터널의 유지관리 및 보수/보강을 위해 지금까지 2회에 걸쳐‘터널의 변상과 조사’ 와 ‘터널의 보수 및 보강(1)’에 대하여 소개하였다. ‘터널의 변상과 조사’에서는 터널 변상의 원인 및 형태와 공용중인 터널의 안정성 평가를 위한 조사 및 판정에 대하여 언급하였다.
- 균열과 누수에 의해 열화된 후 박리된 콘크리트 라이닝 표면은 해머와 정을 이용하여 쪼아내기를 실시하였다(사진 3).
- 균열부근의 표면을 평탄하게 처리하고 주입재를 주입한 후 부착 파이프를 접착하고 실링을 실시하였다. 실링재를 경화양생한 후 저압주입용 인젝터(Injector)를 붙여 습윤면 대응형의 에폭시 수지계 접착제(사진 6)를 주입하였다.
- 균열지수공법을 적용할 부분에는 주입할 곳에 천공(φ25mm)을 하여 주입용 파이프를 부착하고 파이프주변의 균열은 실링을 하였다. 실링재를 양생한 후 주입재를 주입하였다.
- 실링재를 경화양생한 후 저압주입용 인젝터(Injector)를 붙여 습윤면 대응형의 에폭시 수지계 접착제(사진 6)를 주입하였다. 그라우트재가 경화할 때까지 양생한 후 디스크 샌드(Disk Sand)를 이용하여 표면을 평탄하게 마감하였다.
- 또한 박리·박락에 대한 보수공법으로는 수지계주입제에 의한 주입이 일반적이지만 수지계주입제는 접착력이 강하고 줄눈부의 강도가 벽돌보다 강하다. 그러므로, 이것을 사용하여 보수 및 보강한 줄눈부에서 또 다시 열화가 발생하면 벽돌을 손상시키게 되며 줄눈으로부터 지하수 누수가 발생하고 있는 부분도 있기 때문에 본 공사에서는 무기계의 모르타르를 사용하였다. 그림 5는 주입방법의 개략도를 보여주고 있으며 사진 14는 주입상황을 보여주고 있다.
- 5mm 이상의 비교적 큰 균열에는 고압균열 주입공법을 실시하였다. 또한 누수가 비교적 적고 균열폭이 작은 균열에 대해서는 저압균열 주입공법을 실시하였다.
- 터널 건전도 조사결과를 바탕으로 터널 콘크리트 라이닝에 발생한 변상에 대한 대책공법으로 콘크리트 라이닝 단면수복공법을 실시하였다. 또한 배면공동에 관해서는 배면주입공법을 실시하였다.
- 또한 섬유쉬트 접착공법은 기존균열의 확장을 억제하는 효과와 단면수복재료의 박락방지효과가 있기 때문에 본 공사에서 비교적 큰 단면수복이 수행되어지는 부분에서는 쉬트접착공법을 병용하였다.
- 또한 열화와 박리가 현저하고 단면복구를 할 면적이 넓은 부분에 대해서는 단면복구후 복구한 부분이 낙하하는 것을 방지하기 위하여 탄소섬유쉬트를 이용하여 마감 시공하였다.
- 변상 상황에 따라 록볼트 보강공법, 라이닝공법(SFRC 숏크리트공), 스트레이트 공법 등이 적용되었지만 본 터널에서는 다음과 같은 보수 및 보강공법을 적용하였다(그림 21).
- 사용될 철망은 통행하는 차량에 접촉하지 않도록 어느 정도의 강성을 가진 「처짐」이 적은 재료이며, 수cm 크기의 콘크리트 라이닝 파편이 낙하하는 것을 방지할 수 있는 눈금을 가지는 것으로서 Expand Metal을 채용하였다. 철망의 설치범위는 차도부의 범위를 커버할 수 있도록 콘크리트 라이닝아치의 110°범위로 하였다.
- 앵커볼트는 콘크리트 라이닝 타설부 양측의 양호한 부분에 설치하였고 설치 폭은 30cm를 기본으로 하였다. 시공은 조사결과에 기초하고 타음검사에 의해 박리가 발생할 위험성이 있는 콘크리트 라이닝의 시공이음으로 하였다.
- 균열부근의 표면을 평탄하게 처리하고 주입재를 주입한 후 부착 파이프를 접착하고 실링을 실시하였다. 실링재를 경화양생한 후 저압주입용 인젝터(Injector)를 붙여 습윤면 대응형의 에폭시 수지계 접착제(사진 6)를 주입하였다. 그라우트재가 경화할 때까지 양생한 후 디스크 샌드(Disk Sand)를 이용하여 표면을 평탄하게 마감하였다.
- 콘크리트 라이닝 표면에 균열(콜드 죠인트의 분리도 포함)이 발생되어 있는 범위에는 인장보강재인 탄소섬유를 이용한 쉬트접착공법을 채용하여 콘크리트 라이닝과 일체화를 도모하였다. 일방향 섬유인 탄소섬유쉬트를 직교시켜 2층으로 접착하여 보강효과를 확보하였으며 보강범위는 균열발생위치에 따라 천단 90°(A타입)과 120°(B타입)의 2가지 패턴을 고려하였다(그림 28, 29).
- 주입에 있어서는 주입재를 넣어 팽창한 고무튜브의 자체 수축력(내부압력)을 이용하여 균열 깊은 곳까지 주입재를 침투시키는 것이 가능한 저압주입공법을 적용하였다(사진 7, 8).
- 쪼아내기공법을 적용한 부분과 콘크리트 라이닝에서 발생한 단면결손부분에는 철망을 설치한 후, 접착성이 우수하고 무수축 성질을 가지고 있으며, 균열과 박리가 발생하지 않고, 높은 내투수성과 방수성을 가진 초속경 시멘트에 유리섬유를 혼입한 특수 폴리머 에멀젼의 무기질 재료를 이용한 팻칭공법으로 단면을 복구하였다(사진 4).
- 콘크리트 라이닝 배면공동에는 발포우레탄에 의한 배면주입공법을 적용하고 상부에서 암반의 돌발적인 붕락을 방지함과 동시에 발파시의 콘크리트 라이닝 열화부분의 박락방지대책으로서 철망공법을 적용하였다. 철망공법은 신설터널이 준공될 때까지의 임시적이고 응급대책공법이며, 콘크리트 라이닝 박락에 의한 이용자 피해를 방지하는 것을 목적으로 하고 있다.
- 콘크리트 라이닝의 박락이 타설부에서 많이 발생하였으며 타설부 부근의 박락대책으로 아치단면 방향으로 앵커볼트를 사용하여 스테인레스강판을 설치하였다. 앵커볼트는 콘크리트 라이닝 타설부 양측의 양호한 부분에 설치하였고 설치 폭은 30cm를 기본으로 하였다.
- 터널 건전도 조사결과를 바탕으로 터널 콘크리트 라이닝에 발생한 변상에 대한 대책공법으로 콘크리트 라이닝 단면수복공법을 실시하였다. 또한 배면공동에 관해서는 배면주입공법을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 터널은 중요문화재이기 때문에 라이닝을 구성하고있는 벽돌의 상태를 가능하면 현재 상태로 보전할 필요가 있다. 그래서 라이닝 벽돌줄눈의 충진재가 지하수에 의해 열화가 재발했을 때 벽돌을 손상할 우려가 있는 경질의 수지계 충진재보다는 시멘트계의 무기계 충진재를 사용하였다. 누수가 광범위하게 발생하는 경우에는 급결시멘트를 사용하는 것이 바람직하고 누수부분에는 수발(水拔) 파이프 등을 설치하는 등의 적절한 배수대책도 필요하다.
- 록볼트 보강공법은 지반 변위를 충분하게 억제하는 것이 불가능하므로 탄소섬유쉬트를 이용한 내면 보강공법을 적용하였다. 그림 20에 나타난 것 처럼 아치 어깨부에 다수의 인장균열이 발생하여 인장보강재로서 탄소섬유쉬트가 선정되었다(그림 23, 사진 21). 대책공법 실시 후 보수/보강된 부분의 내공변위속도가 현저하게 저하하고 치명적인 변상은 발생하지 않았다.
- 그림 6은 본 터널의 단면도를 보여주고 있으며 본 터널은 산등성이(토피고 30m 정도)를 통과하는 도로터널로서 터널이 위치하는 곳의 지질은 신제3세기중신세의 응회각역암이다. 또 그림 7에 나타낸 것처럼 본 터널에 근접하여 새로운 터널이 시공될 예정이다.
- 본 터널에서 균열이 증가하는 원인은 터널의 노후화와 누수때문이라고 판단된다. 따라서 내투수성 및 방수성이 우수한 초속경시멘트에 유리섬유로 첨가하여 보강하고, 특수 폴리머 에멀젼을 병행한 무기질계 재료를 단면수복재로서 선정하였다. 콘크리트 라이닝에 단면수복 공법을 적용할 때에는 열화의 요인, 열화의 상황, 누수 상황등을 감안하고, 콘크리트 라이닝과의 접착성, 보수 재료의 내구성등 보수재료가 가진 특성을 평가하여 최적인 재료를 선정할 필요가 있다.
- 본 터널은 2개의 하천 사이에 낀 산등성이의 끝자락을 횡단하고 지형적으로는 편압이 걸리는 장소에 위치하고 있다. 또한 본 터널은 이 산등성이로부터 하천으로 길게 뻗어난 작은 산등성이의 안장부의 아래에 위치하고 있으며 안장부에는 파쇄대가 통과하고 있다.
- 본 터널은 해안을 따라 모래지반을 통과하는 도로터널로서 터널이 위치하는 지질은 신생대 제4기 홍적세사층이고 상부에는 충적세의 신규 모래층이 퇴적되어 있다(최대 토피고 40m). 평면도를 그림 25에, 지질 횡단면도를 그림 26에 나타내었다.
- 본 터널이 위치한 남쪽은 해안을 접하고 있는 사면이고 본 사면은 45°~50°의 급경사를 이루고 있으며, 산중턱의 사면도 30°~40°의 경사를 가지고 있으며 비교적 험준한 지형에 터널이 위치하고 있다. 지질은 신 제 3세기 중신세기 초기~중기에 분출한 화산암류인 조면 현무암, 반암질조면현무암, 응회암, 각역암과 이것을 전도한 제 4기의 애추(崖錐) 퇴적물로 구성되어 있다.
- 균열에서 누수가 발생하는 부분에는 고압균열 주입공법을 실시하였다(사진 9, 10). 주입재는 수분과 화학반응을 일으키는 일액성의 약액이며 주입량에 비해 수배 크기의 고화체를 만들며 겔타임(Gel Time)도 짧고 신속한 지수 및 차수를 할 수 있는 우레탄계 주입재를 이용하였다.
- 본 터널이 위치한 남쪽은 해안을 접하고 있는 사면이고 본 사면은 45°~50°의 급경사를 이루고 있으며, 산중턱의 사면도 30°~40°의 경사를 가지고 있으며 비교적 험준한 지형에 터널이 위치하고 있다. 지질은 신 제 3세기 중신세기 초기~중기에 분출한 화산암류인 조면 현무암, 반암질조면현무암, 응회암, 각역암과 이것을 전도한 제 4기의 애추(崖錐) 퇴적물로 구성되어 있다.
- 지질은 제 3기 중신세~선신세의 무적층이며 응회각역암을 주체로 하고 사암, 역암, 안산암, 용암을 포함하고 절리가 적은 양질의 암반과 애추(崖錐) 퇴적물로 구성되었다. 특히 터널입구부근은 골짜기에 위치하고 성토로 이루어 졌으며 애추(崖錐)퇴적물과 성토 등의 미고결 퇴적물로 구성되어 있다.
- 지질은 제3세기중신세의 Green Tough(녹색 응회암, 응회각역암, 응회질니암 등)로 구성되어 있으며 발파공법을 이용한 저설도갱선진상반 라이닝 공법으로 시공되었다.
- 본 터널에서 콘크리트 라이닝 박락대책이 필요로 하는 부분의 면적이 크기 때문에 예상되는 콘크리트 라이닝에서 박락이 될 수 있는 조각의 최소한의 크기가 굵은 골재일 정도로 규모가 클 것으로 판단된다. 해당 구간은 전기시설이 있는 구간이므로 보수재로는 비전도성의 아라미드 섬유를 사용하기로 하였다(그림 32, 33, 사진 25, 26).
이론/모형
- 균열에서 누수가 발생하는 부분에는 고압균열 주입공법을 실시하였다(사진 9, 10). 주입재는 수분과 화학반응을 일으키는 일액성의 약액이며 주입량에 비해 수배 크기의 고화체를 만들며 겔타임(Gel Time)도 짧고 신속한 지수 및 차수를 할 수 있는 우레탄계 주입재를 이용하였다.
- 누수에 의해 콘크리트 라이닝에 발생한 균열중에 균열폭이 0.5mm 이상의 비교적 큰 균열에는 고압균열 주입공법을 실시하였다. 또한 누수가 비교적 적고 균열폭이 작은 균열에 대해서는 저압균열 주입공법을 실시하였다.
- 따라서 벽돌의 줄눈, 조적식 라이닝 표면의 박리·박락 및 구조적 균열을 보수하기 위한 보수공법으로 무기계주입재 이용한 포인팅공법을 채택하여 시공을 하였다. 콘크리트 라이닝을 벽돌로 하는 터널에서 줄눈재는 열화하지만 모재가 건전한 경우에 일반적으로 포인팅(줄눈채움)공법을 사용하고 주입재료로 모르타르를 사용하고 있다.
- 록볼트 보강공법은 지반 변위를 충분하게 억제하는 것이 불가능하므로 탄소섬유쉬트를 이용한 내면 보강공법을 적용하였다. 그림 20에 나타난 것 처럼 아치 어깨부에 다수의 인장균열이 발생하여 인장보강재로서 탄소섬유쉬트가 선정되었다(그림 23, 사진 21).
성능/효과
- 터널 시공시에 실시되었던 탄성파측정(그림 2)에서 A터널과 B터널에서 약 3~4km/s 탄성파 속도가 예상되었다. 그러나, 굴착된 터널 벽면에서 실시된 탄성파 측정결과에서는 탄성파 속도가 복잡하게 변화하였으며 특히 터널 입구로 예정된 지점과 본 터널과 수직터널의 교차지점은 현무암층과 많은 균열을 포함하고 협재한 흑색 혈암류가 많았으며 탄성파 속도도 1.2~2.5km/s로 낮게 측정되었다.
- 콘크리트 라이닝에서 채취된 코어로부터 균열이 콘크리트 라이닝 배면까지 진행된것이 확인되었다. 또한 내공 변위 및 균열측정으로부터 내공변위와 균열이 진행중이라는 것이 확인되었다.
- 벽돌표면에서 박리 현상이 발생한 부분은 박리부와 상시적인 누수(동철기의 결빙)부가 거의 일치하고 있다. 또한 벽돌간의 조인트에서 발생한 균열에서 변위를 동반한 변상은 없는 것으로 나타났으며 토압 등의 외력에 의한 변상은 없는 것으로 관찰되었다. 그러나, 벽돌 줄눈부는 지하수에 의해 열화되어 공극이 발생하였으며 이 공극으로부터 지하수 누수가 항상 발생하고 있었으며, 조적식 라이닝 벽돌에 침투한 지하수가 동절기에 동결·팽창하여 조적식 라이닝의 벽돌을 파괴되고 박리·박락을 일으킨다고 판단된다(그림 4).
- · 내적요인 : 인버트가 없어 측벽은 측압에 약한 구조이다. 또한 전체적으로 콘크리트 라이닝 두께 부족인 것이 확인되었다.
- 사진 15에 나타낸 것 같이 본 터널의 콘크리트 라이닝 조인트(횡단줄눈) 부분에서 누수가 발생하고 균열과 들뜸이 확인되었다. 또한 지하 레이더탐사에 의하여 콘크리트 라이닝 배면에 부분적으로 공동(최대 공동두께 45cm)이 잔재하고 있는 것이 확인되었다.
- 본 터널에서 콘크리트 라이닝 박락대책이 필요로 하는 부분의 면적이 크기 때문에 예상되는 콘크리트 라이닝에서 박락이 될 수 있는 조각의 최소한의 크기가 굵은 골재일 정도로 규모가 클 것으로 판단된다. 해당 구간은 전기시설이 있는 구간이므로 보수재로는 비전도성의 아라미드 섬유를 사용하기로 하였다(그림 32, 33, 사진 25, 26).
- 본 터널은 개통된지 약 28년이 경과하였으며 본 조사에서 수행된 터널 건전도조사 결과 터널전체에 걸쳐 콘크리트 라이닝에서 균열과 누수(사진 5)가 확인되었으며, 더욱이 콘크리트 라이닝 배면에 공동이 광범위하게 분포된 것이 확인되었다.
- 본 터널은 준공된지 약 28년이 경과하였으며 본 조사에서 수행되어진 터널 건전도조사 결과 터널전체에 걸쳐 콘크리트 라이닝에서 균열(사진 1, 2)과 누수가 확인되었으며, 더우기 콘크리트 라이닝 배면에 공동이 광범위하게 분포된 것이 확인되었다.
- 터널 전체에 걸쳐 콘크리트 라이닝 아치 천단부에 터널 종방향의 큰 폭의 균열 또는 콜드조인트의 분리가 확인되었다(그림 27, 사진 22). 지표로부터 수행된 보링조사 결과에서는 터널 천단부에 약 6m 정도로 느슨한 영역이 존재하는 것으로 판단되었다(그림 26).
- 콘크리트 라이닝 아치부에 압좌 및 전단에 의한 것으로 생각되는 다수의 균열이 발생하였으며, 균열 형태는 평행·교차·폐합상태로 되어 있다. 타음검사결과 부분적으로 균열에 의해 콘크리트 라이닝이 조각으로 완전히 분리되어 있는 부분도 존재하였으며 전구간에 걸쳐 부분적으로 박락과 재료 열화가 발생한 부분도 존재하는 것으로 조사되었다. 콘크리트 라이닝이 탈락한 후에도 콘크리트 라이닝에 불안정한 부분이 존재하기 때문에 콘크리트 라이닝의 박락대책이 필요하다고 판단되었다(사진 24).
후속연구
- 균열과 이음의 단차가 큰 경우 혹은 콘크리트 라이닝에 요철이 심한 경우에는 콘크리트 라이닝 표면을 평탄화하기가 쉽지 않기 때문에 본 공법의 적용성을 충분히 검토할 필요가 있다. 또한 콘크리트 라이닝의 열화와 누수가 현저한 장소에서는 섬유쉬트의 충분한 접착력을 발현하는 것이 어렵기 때문에 쉬트의 박리와 들뜸이 발생하지 않도록 콘크리트 라이닝 표면처리, 표면청소와 누수처리는 철저히 수행될 필요가 있다.
- 부재가 전부 강재로 구성되어 있으므로 향후 강재의 부식과 이완의 가능성이 있을 수 있다. 따라서 향후에는 균열주입공법과 최근 시공이 급증하고 있는 FRP에 의한 박락방지대책으로 변경해 둘 필요가 있다고 판단된다.
- 본 공법은 어디까지나 응급적인 대책이고 변상의 진전이 예상되어지는 경우에는 탄소섬유시트에 의한 본격적인 박락대책을 검토할 필요가 있다.
- 부재가 전부 강재로 구성되어 있으므로 향후 강재의 부식과 이완의 가능성이 있을 수 있다. 따라서 향후에는 균열주입공법과 최근 시공이 급증하고 있는 FRP에 의한 박락방지대책으로 변경해 둘 필요가 있다고 판단된다.
- ‘터널의 보수 및 보강(1)’에서는 터널 변상의 원인과 형태에 따른 다양한 보수/보강공법을 이론적으로 소개하였다. 앞으로 2회에 걸쳐 다양한 재래식 터널에 발생한 변상의 원인 및 형태에 따라 실질적으로 적용된 적용된 보수 및 보강공법을 소개하겠다.
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