본 논문은 도시철도공사시 하저통과구간의 지반투수저하공법에 대한 연구결과이다. 본 연구에서는 하저지반의 투수저하공법들 중 특히 주입공법에 대하여 연구의 초점을 두었다. 하저지반에서 장 단기적으로 안전하게 지반수리거동을 도모하기 위한 주입공법의 설계기법에 대하여 제시하였다. 그래서 하저통과 터널공사시 안전시공과 완공 후 터널구조물의 장기적인 안전유지관리 측면에서 적용성이 양호하다고 판단되는 N.D.S (Natural Durable Stabilizer)공법과 S.M.I (Space-Multi-Injection Grouting)공법을 제시하였다. 이 두 공법의 실질적인 시공효과를 평가하기 위하여 ${\bigcirc}{\bigcirc}$지역에 건설예정인 하저통과 도시철도터널공사구간에서 시험시공을 실시하였다. 시험 시공기간 중에는 실내 및 현장에서 지반투수 특성시험을 실시하여 시공전후의 지반의 투수성 저하효과를 평가하였으며, 두 공법의 시험시공결과는 이론적인 배경과 함께 비교 분석하였다. 비교 분석결과, S.M.I공법의 경우 N.D.S공법보다 투수성 저하효과가 큰 것으로 나타났다. 즉, 주입공법에 있어서 시멘트 무기질계 재료보다는 비 알칼리성 실리카 졸계가 투수저하 효과를 더 크게 할 수 있을 것으로 판단되었다. 끝으로 본 연구결과로부터 특히 철도터널설계시 하저지반의 투수성 저하효과 증대를 위한 주입공법 설계 기술발전에 공헌 할 것이다.
본 논문은 도시철도공사시 하저통과구간의 지반투수저하공법에 대한 연구결과이다. 본 연구에서는 하저지반의 투수저하공법들 중 특히 주입공법에 대하여 연구의 초점을 두었다. 하저지반에서 장 단기적으로 안전하게 지반수리거동을 도모하기 위한 주입공법의 설계기법에 대하여 제시하였다. 그래서 하저통과 터널공사시 안전시공과 완공 후 터널구조물의 장기적인 안전유지관리 측면에서 적용성이 양호하다고 판단되는 N.D.S (Natural Durable Stabilizer)공법과 S.M.I (Space-Multi-Injection Grouting)공법을 제시하였다. 이 두 공법의 실질적인 시공효과를 평가하기 위하여 ${\bigcirc}{\bigcirc}$지역에 건설예정인 하저통과 도시철도터널공사구간에서 시험시공을 실시하였다. 시험 시공기간 중에는 실내 및 현장에서 지반투수 특성시험을 실시하여 시공전후의 지반의 투수성 저하효과를 평가하였으며, 두 공법의 시험시공결과는 이론적인 배경과 함께 비교 분석하였다. 비교 분석결과, S.M.I공법의 경우 N.D.S공법보다 투수성 저하효과가 큰 것으로 나타났다. 즉, 주입공법에 있어서 시멘트 무기질계 재료보다는 비 알칼리성 실리카 졸계가 투수저하 효과를 더 크게 할 수 있을 것으로 판단되었다. 끝으로 본 연구결과로부터 특히 철도터널설계시 하저지반의 투수성 저하효과 증대를 위한 주입공법 설계 기술발전에 공헌 할 것이다.
This paper describes a study on the permeability reduction of the riverbed ground during urban railway tunnel construction. The research is mainly concentrated on the study of the grouting or injection methods among permeability reduction methods which can be adapted in the riverbed ground. The desi...
This paper describes a study on the permeability reduction of the riverbed ground during urban railway tunnel construction. The research is mainly concentrated on the study of the grouting or injection methods among permeability reduction methods which can be adapted in the riverbed ground. The design technology of grouting methods considering the long term hydro-geological behaviour in the riverbed, was suggested. Two injection methods namely, Natural Durable Stabilizer (N.D.S) and Space-Multi Injection Grouting (S.M.I) methods, were introduced as new approach methods which could be adapted to modify the riverbed ground. In order to evaluate the performance of the improved ground by the N.D.S and S.M.I method, a series of pilot tests including the field and laboratory permeability tests, were carried out in the river crossing tunnel construction sites. The results obtained from pilot test program, were also reviewed. The results, the grouting efficiency of the S.M.I method using the non-alkalimeter silica sol is better than that of N.D.S method using cement. In addition, it is anticipated that the current research results are contributed to develop the grouting design technology.
This paper describes a study on the permeability reduction of the riverbed ground during urban railway tunnel construction. The research is mainly concentrated on the study of the grouting or injection methods among permeability reduction methods which can be adapted in the riverbed ground. The design technology of grouting methods considering the long term hydro-geological behaviour in the riverbed, was suggested. Two injection methods namely, Natural Durable Stabilizer (N.D.S) and Space-Multi Injection Grouting (S.M.I) methods, were introduced as new approach methods which could be adapted to modify the riverbed ground. In order to evaluate the performance of the improved ground by the N.D.S and S.M.I method, a series of pilot tests including the field and laboratory permeability tests, were carried out in the river crossing tunnel construction sites. The results obtained from pilot test program, were also reviewed. The results, the grouting efficiency of the S.M.I method using the non-alkalimeter silica sol is better than that of N.D.S method using cement. In addition, it is anticipated that the current research results are contributed to develop the grouting design technology.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 도시철도공사 하저구간의 시공시 지하수 침투 및 용출에 따른 터널의 안정성 및 시공성을 확보하기 위한 약액주입공법 중 N.D.S공법과 S.M.I공법의 현장 적용성 및 시공성을 연구하여 시공 전후의 차수효과 및 지반강도의 변화를 비교·분석하였다.
본 시험시공은 하저를 통과하는 터널공사시 지반투수성 감소에 따른 터널의 안전시공과 터널 완공 후 터널구조물의 장기적인 안전유지관리 측면에서 적용성이 양호하다고 판단되는 N.D.S공법과 S.M.I공법의 시공효과를 검증·비교하기 위한 시험시공이다.
현장시험은 1, 2차로 2회에 걸쳐 실시하였으며, 각 회마다 공당 주입량을 달리 하였다. 이는 차수그라우팅에 의한 투수 계수의 감소가 시방기준과의 부합 여부를 확인하기 위해서이다. 투수계수(k) 측정 방법은 변수위법에 의한 방법으로 적용하며 시공 전·후의 투수시험은 현장시험을 실시하였다.
본 연구에서는 도시철도 하저 터널 현장의 차수 및 지반 보강에 관한 분석을 위하여 하저지반의 투수저하공법들 중 주입공법에 대하여 연구하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
① 물유리계 주입재는 시간이 경과함에 따라 일축압축강도가 50%이상 저하된다.
② 물유리계 현탁형 주입재도 지반의 투수계수가 클 때는 강도가 크게 떨어진다.
① 지하수면 밑에서 주입하는 경우 희석에 의한 Gel-time의 지연이 없고, 지하수에 대량 희석되더라도 확실한 주입효과와 고결특성이 우수하다.
제안 방법
그리하여 본 현장에 적합한 차수그라우팅공법인 N.D.S공법과 S.M.I공법을 현장시험을 통하여 비교·분석을 실시하였다.
현장 투수시험은 시공 대상 지층인 모래·자갈층의 주입 전 4개소를 실시하였으며, 주입 후 7개소의 투수계수시험을 실시하였다.
2) 주입
주입펌프와 주입 Rod와 주입호스로 연결되면 주입전 청수를 보내어 주입관이 막혔는지 사전 확인하며, 주입 시작전 주입호스의 연결 상태를 가능한 직선으로 연결되도록 한다. Rod 주변으로의 유출현상 방지를 위하여 1차로 급결 주입하며, 2차로 완결 주입하여 침투주입이 이루어지도록 급결, 완결을 반복 주입한다.
I공법의 시공효과를 검증·비교하기 위한 시험시공이다. 공법이 적용될 지반이 터널 굴착부분임을 감안했을 때 터널 굴착 부분의 지반과 유사한 지반에서 시험이 이루어져야 하므로 지반조사 결과에 따른 지반의 상태를 파악하고 최적의 위치를 선정하여 시험시공 하였다. 시험시공에 있어서 지반조사는 현장 시추와 물리탐사를 실시하여 대상지반을 분석하였으며 이에 따라서 주입공법의 시공시 약액 주입량을 산정하였다.
공법이 적용될 지반이 터널 굴착부분임을 감안했을 때 터널 굴착 부분의 지반과 유사한 지반에서 시험이 이루어져야 하므로 지반조사 결과에 따른 지반의 상태를 파악하고 최적의 위치를 선정하여 시험시공 하였다. 시험시공에 있어서 지반조사는 현장 시추와 물리탐사를 실시하여 대상지반을 분석하였으며 이에 따라서 주입공법의 시공시 약액 주입량을 산정하였다.
시추조사와 물리탐사를 통하여 실시된 지반조사 결과를 바탕으로 지반의 상태를 파악하고 N.D.S와 S.M.I공법이 적용될 지반조건을 만족하는 최적의 위치를 선정하여 시험시공을 실시하였다. 시추조사와 물리탐사를 통한 지반 조사의 결과는 다음과 같다.
자료 분석 결과 터널이 통과할 기반암은 유문암질 래필리 응회암으로 매우 치밀한 조직과 풍화에 저항력이 강한 광물로 조성되어 있는 양호한 지반으로 구성되어 있을 것으로 판단되었다. 대상 지반의 탄성파 속도(Vp)를 확인해 본 결과, 700 m/sec~1200 m/sec 영역의 속도분포와 그 이상의 속도값에 해당되는 밀실한 지반이며, 2차원 전기비저항쌍극자탐사와 3차원 전기비저항탐사를 실시하여 대상 지반의 공간적 분포와 개량 영역을 분석하였다. 지반의 구성 및 공학적 특성은 그림 8과 같다.
0 Shot 방식을 기본으로 하며, 초기 급결 및 완결 주입에서는 A, B용액을 1:1 비율로 주입하는 것을 원칙으로 하나 지층상태에 따라서 주입재의 혼합비율을 조정하여 주입하였다. 그리고 N.D.S그라우팅은 저압주입 방식으로 주입압력 5 kg/cm2 이하를 요구하나 현장여건에 따라 주입압력을 최대 40 kg/cm2 이하를 기준으로 하여 시공하였다.
현장시험은 1, 2차로 2회에 걸쳐 실시하였으며, 각 회마다 공당 주입량을 달리 하였다. 이는 차수그라우팅에 의한 투수 계수의 감소가 시방기준과의 부합 여부를 확인하기 위해서이다.
본 시험은 모래자갈로 이루어진 퇴적토층의 지반이며, NX size로 수직 천공하여 차수그라우팅을 실시하였다. 본지반의 투수계수 측정치는 G.
L-3m에서 실시한 결과 측정불가로 측정되었으며, 시험공은 2개소 3공씩 모두 퇴적토층을 기본으로 실시하였다. 차수그라우팅 재 주입 후 투수시험을 실시하여 차수를 위한 품질기준에 적합한지를 조사하였다.
I공법의 주입재료의 구성은 시멘트, 경화재, 실리카졸, 물로 되어있으며, 용액형과 현탁액형으로 나뉜다. S.M.I공법은 공 간격을 0.6 m로 배치하여 격공으로 시공하였으며, 시공 후 약액주입의 상태와 시방서 허용기준과의 부합여부는 투수시험의 방법으로 측정하였다. 시험시공에 사용된 주입재 및 시공수량은 표 5와 같다.
1) 우선 본 연구의 기본이 되는 하저지반에서의 투수계수 저하를 위하여 적용되고 있는 기존주입공법들의 이론적 배경과 시공방법 등을 문헌을 통하여 고찰하였다. 그리하여 본 현장에 적합한 차수그라우팅공법인 N.
대상 데이터
9%로 퇴적토층에 주입된 주입율을 기 준으로 하였다. 총 천공장은 10.5 m이며, 주입 심도는 7.5 m로 전체 주입량(Q)은 3.38 m3로 측정되었다. 그라우팅 재 주입 전·후의 투수시험 결과는 표 2와 같다.
7%로 퇴적토층에 주입된 주입율을 기준으로 하였다. 총 천공장은 10.4 m이며, 주입 심도는 8.9 m로 전체 주입량(Q)은 5.40 m3로 측정되었다. 그라우팅 재 주입 전·후의 투수시험 결과는 표 3과 같다.
본 시험은 모래자갈로 이루어진 퇴적토층의 지반이며, NX size로 수직 천공하여 차수그라우팅을 실시하였다. 본지반의 투수계수 측정치는 G.L-3m에서 실시한 결과 측정불가로 측정되었으며, 시험공은 2개소 3공씩 모두 퇴적토층을 기본으로 실시하였다. 차수그라우팅 재 주입 후 투수시험을 실시하여 차수를 위한 품질기준에 적합한지를 조사하였다.
이론/모형
투수계수(k) 측정 방법은 변수위법에 의한 방법으로 적용하며 시공 전·후의 투수시험은 현장시험을 실시하였다.
성능/효과
3) S.M.I공법을 적용하여 차수보강작업 후 투수계수를 측정한 결과, 평균 k = 2.23×10-5 cm/saec으로 불투수층에 가까운 양호한 결과가 나왔으며, 수위강하 확인은 주입작업 10일 경과 후에 수위변화를 확인결과 1 m 가량만이 하강한 것으로 나타났다.
그리하여 주입율을 k = 6.27×10-6 cm/saec로 증가시켜 재시험을 실시한 결과 투수계수가로 감소하여 허용기준에 부합됨을 알 수 있었다.
2) N.D.S공법을 시험 시공한 후 투수시험 결과 원 설계주 입율인 λ = 39.9%을 적용시 투수계수는 현저히 감소하지만 일반적으로 토질재료에서 명시하는 불투수성의 투수계수(k = 1×10-5 cm/saec 이하)에는 미치지 못하는 결과로 나타났다.
표 4에서 알 수 있듯이 변수위(magg)법에 의한 주입 전·후의 투수시험 결과 퇴적토층을 기준으로 기 설계 주입율(λ = 39.9%) 적용시 투수계수는 현저히 감소하였으며, 정압에 의한 주입율(λ = 53.7%)을 적용한 경우에는 불투수층에 가까운 양호한 결과가 나타났다.
자료 분석 결과 터널이 통과할 기반암은 유문암질 래필리 응회암으로 매우 치밀한 조직과 풍화에 저항력이 강한 광물로 조성되어 있는 양호한 지반으로 구성되어 있을 것으로 판단되었다. 대상 지반의 탄성파 속도(Vp)를 확인해 본 결과, 700 m/sec~1200 m/sec 영역의 속도분포와 그 이상의 속도값에 해당되는 밀실한 지반이며, 2차원 전기비저항쌍극자탐사와 3차원 전기비저항탐사를 실시하여 대상 지반의 공간적 분포와 개량 영역을 분석하였다.
현장 투수시험은 시공 대상 지층인 모래·자갈층의 주입 전 4개소를 실시하였으며, 주입 후 7개소의 투수계수시험을 실시하였다. 그 결과 표 6과 같이 시방서의 허용기준을 만족하는 확실한 차수 효과가 나타났으며, 수위강하 확인은 주입작업 10일 경과 후에 수위변화를 확인결과 1 m 가량만이 하강한 것으로 나타났다.
후속연구
27×10-6 cm/saec로 증가시켜 재시험을 실시한 결과 투수계수가로 감소하여 허용기준에 부합됨을 알 수 있었다. 하지만 본 현장이 지하수가 높고 유속이 빨라 주입재가 고결되기 전에 유실되어 충분한 차수 효과를 낼 수 없고, 주입압력으로 인한 지반융기 등의 문제점을 초래할 수 있으므로 N.D.S공법은 본 현장 즉, 유속이 빠른 하저 철도터널 현장에서의 적용성 검토가 충분히 이루어져야 할 것으로 판단된다.
위의 결과를 종합해 볼 때, 시험결과 N.D.S 공법에 비해 S.M.I공법의 적용성이 양호하지만 두 공법이 최근 개발된 공법으로 시공 사례가 적은 만큼, 지속적인 연구와 현장 적용성 검토가 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
N.D.S공법의 천공장비는 어떠한 특징을 가지는가?
1) 천공 천공장비는 다양한 지층에 적용할 수 있고, 경사 천공이 가능한 크롤러식 보링기를 사용하여 작업의 효율성을 향상 시킨다. 한편 천공간격은 계획된 위치에 실시하며 천공순서는 주입작업에 간섭되지 않는 범위 내에서 작업을 하고, 시공성 저하 방지를 위해 주입공간의 거리를 확보한다.
N.D.S공법의 특징은 무엇인가?
D.S공법은 무기질계 고미분말 재료를 사용하여 주입성능을 향상시키고 환경 친화적이며 내구성이 뛰어난 무기질계 급결성 지반주입재를 사용한다. N.
N.D.S공법의 목적은 무엇인가?
D.S공법의 목적은 물유리를 사용하지 않는 순수 시멘트 무기질 재료를 혼합한 그라우팅공법으로 침투수를 미연에 차단하여 터널 굴착시 원활하게 공사를 진행시키는데 있으며, 다음 그림 1과 2는 N.D.
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