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문제 정의
- 본 연구에서는 터널의 주지보재로 사용되고 있는 강섬유 보강숏크리트에 대해 고속도로 터널현장의 품질시험 결과를 분석하고 현장시험시공을 통한 확인조사를 수행하였다. 시험결과의 분석을 통해 국내 숏크리트 기준인 휨강도 4.
가설 설정
- 각 터널 별로 강섬유 혼입율의 측정 횟수가 다르지만. 측정값을 정규분포로 가정하고 공통인 분산에 대한 합동추정량(joint estimator)을 계산하였다(박성현, 1991). 표 2에서 나타난 바와 같이 현장 특성에 따라 약간씩 변하지만 강섬유 투입량은 약 40kg/m3 내외이며, 실제 터널벽체에 타설된 숏크리트의 강섬유 혼입량은 31~38kg/m3 이었다 노선별로는 수도권 사업단의 경우 약 90%로 최대값을, 냉정-부산사업단의 경우 약 78%로 최소값을 나타내었다.
제안 방법
- 강섬유 혼입률을 산정하기 위해 강섬유 숏크리트를 타설한 후 터널 천단부와측벽부에서 직경 100mm 코어를 채취하여 시료의 체적을 측정하였으며, 시편을 완전 분쇄하여 자석으로 강섬유를 수집한 후 무게를계량하였다. 표 5는 강섬유 투입량과 시험위치에 따른 강섬유 혼입률의 변화를 나타낸 것이다.
- 등가 휨강도를 측정하기 위해 15 X15 X 55cm의 시험용 몰드를 터널 막장에 세워 최소기준인 강섬유 투입량 35kg/m3 의 강섬유 보강 숏크리트를 타설하여 실험용 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 습윤양생하여 재령 28일에 등가휨강도 시험을 실시하고 시편에서 코어를 채취하여 강섬유 혼입량을 측정하였다.
- 시공장비, 숏크리트 생산시설, 노즐 맨 숙련도 등 현장 특성에 따라 변수가 많으므로 배합기준보다 시공 시 부착기준으로 설정하는 것이 바람직하다 이승호 등(2006)이 터널굴착 시 강섬유 숏크리트의 적정 강섬유 함유량에 관한 연구를 통해 실제 터널 벽체에 강섬유 혼입량 기준을 제시한 후, 대부분의 국내 시방기준은 강섬유 혼입량 30kg/rrf을 적용하고 있다 그러나 실제 터널현장에서는 시공 시 발생되는 강섬유 손실률을 보완하기 위해 숏크리트 리바운드율 (10~13%), 강섬유 배합 시 투입량(40kg/nf) 등을 과다하게 반영하므로 오히려 시공 및 품질관리를 저해하고 숏크리트의 성능을 저하시킬 우려가 있다. 따라서 비교적 품질관리가 잘 되고 있는 고속도로 터널 현장을 중심으로 강섬유 숏크리트 배합 시 투입량 및 실제 벽체 혼입량 등을 조사하여 숏크리트 시공특성을 고려한 현장 평균 강섬유 손실율을 파악하는 한편 현장시험시공을 통해 강섬유 탈락률을 고려한 적정 강섬유 투입량을 산정하였다.
- 11) 에 따라 터널 휨강도 몰드(15 X15 X 55cm)를 그림 4와 같이 터널 막장에 세운 후 강섬유 숏크리트를 타설하여 제작하였다. 숏크리트를 타설한 후 24~48시간 사이에 시료를 거푸집에서 떼어낸 다음 양생 수조에서 습윤양생시킨 후 그림 5와 같이 재령 28일에 등가 휨강도시험을 실시하였다.
- 수행하였다. 시험결과의 분석을 통해 국내 숏크리트 기준인 휨강도 4.5MPa, 등가휨강도 3.0MPa, 터널 벽체 강섬유 혼입량 기준인 SOkg/m3을 만족하기 위한 현장 배합 강섬유 투입량을 산정한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 시험구간 내 측벽부 또는 천단부의 임의 위치에서 채취한 코어(0)50xl00mm 1회 시험당 3개)의 양면 절단 후 직경, 길이 및 중량을 측정한다. 코어 시편을 완전 분쇄하고 자석으로 선별한 강섬유의 무게를 측정하면 강섬유 혼입량은 식 3으로 계산한다.
- 시험시공된 숏크리트에 대해 숏크리트 반발률, 강섬유 탈락률, 강섬유 혼입량, 등가휨강도를 측정하였다. 숏크리트의 반발률은 터널바닥에 비닐 시트를 깔고 1 m电 숏크리트를 터널 측벽 및 천단부에 직접 시공한 후 바닥에 떨어진 재료를 수거하여 식 1과 같이 계산한다.
- 등가 휨강도를 측정하기 위해 15 X15 X 55cm의 시험용 몰드를 터널 막장에 세워 최소기준인 강섬유 투입량 35kg/m3 의 강섬유 보강 숏크리트를 타설하여 실험용 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 습윤양생하여 재령 28일에 등가휨강도 시험을 실시하고 시편에서 코어를 채취하여 강섬유 혼입량을 측정하였다. 시험결과를 요약하면 표 6과 같다.
- 현장시험에서는 강섬유 투입량을 35, 37, 40kg/m3 로 변경하면서 숏크리트를 시험시공하고 3.3에서 언급한 시험절차에 따라 숏크리트 반발률 강섬유 탈락률과 강섬유 혼입량 등을 측정하였다. 강섬유는 국내에서 일반적으로 통용되고 있는 유효지름 0.
대상 데이터
- 2010년 한 해 동안 전국 고속도로 건설현장에서 숏크리트를 시공한 9개 노선 45개 터널에서 측정된 강섬유 혼입량을 대상으로 통계분석을 실시하였다. 그림 2는。。터널의 강섬유 혼입량 측정값에 대해 Anderson-Darling검정으로 정규성 검증을 실시한 결과를 보이고 있다.
- 3에서 언급한 시험절차에 따라 숏크리트 반발률 강섬유 탈락률과 강섬유 혼입량 등을 측정하였다. 강섬유는 국내에서 일반적으로 통용되고 있는 유효지름 0.5mm, 길이 30mm, 후크형 강섬유를 사용하였다. 숏크리트는 표 3의 시방 및 현장배합에 의해 자체 배치 플랜트로 생산하여 현장시험에서 사용하였다.
- 등가휨강도 시험용 시료는 한국도로공사「터널 숏크리트 품질기준 개선」(2003.11) 에 따라 터널 휨강도 몰드(15 X15 X 55cm)를 그림 4와 같이 터널 막장에 세운 후 강섬유 숏크리트를 타설하여 제작하였다. 숏크리트를 타설한 후 24~48시간 사이에 시료를 거푸집에서 떼어낸 다음 양생 수조에서 습윤양생시킨 후 그림 5와 같이 재령 28일에 등가 휨강도시험을 실시하였다.
- 배합시 적정 강섬유 투입량 설정을 위한 시험시공은 고속국도 제60호선 홍천-양양간 고속도로 건설공사 제14공구 인제터널에서 시행되었다. 인제터널의 설계현황은 그림 3과 같으며 지질조건은 선캠브리아기 편마암류와 중생대 화강암류가 주를 이룬다.
- 인제터널의 설계현황은 그림 3과 같으며 지질조건은 선캠브리아기 편마암류와 중생대 화강암류가 주를 이룬다. 시험시공은 인제터널 종점부에서 860m 굴착한 지점에서 실시되었으며, 구성임석은 흑운모가 일부 밀집된 편마암으로 이루어져 있고 RMR에 의한 암반분류시 H 등급에 해당된다.
성능/효과
- 표 5는 강섬유 투입량과 시험위치에 따른 강섬유 혼입률의 변화를 나타낸 것이다. 결과에 의하면 강섬유 투입량이 증가할수록 숏크리트 내 강섬유 혼입량은 증가하는 경향을 보인다. 그러나 강섬유투입량에 관계없이 측벽부의 강섬유 혼입률이 천 단부보다 항상 2.
- 숏크리트 반발률은 암반특성, 숏팅장비, 노즐맨의 숙련도 등에 따라 영향을 받을 수 있으나 천단부와 측벽부 평균 반발률이 8-11% 정도로 나타났으며 강섬유 투입량에 따른 숏크리트 반발률의 차이는 거의 없는 것으로 판단된다. 다만 반발된 재료중 강섬유가 차지하는 강섬유 탈락율은 투입량 대비 200%정도로서 골재, 시멘트 등 다른 재료에 비해서 2배 정도 더 많이 탈락하는 결과를 보인다.
- 측정된 등가휨강도 평균치는 3.67MPa로 기준값 3.0MPa를 상회함에 따라 강섬유 투입량이 35kg/m3 이상인 조건에서는 강섬유 보강 숏크리트의 등가 휨강도 기준을 만족하는 것으로 판단된다. 또한 등가 휨강도 시험 후 파괴된 시편으로부터 채취한 코아(<D50
- 표 2에서 나타난 바와 같이 현장 특성에 따라 약간씩 변하지만 강섬유 투입량은 약 40kg/m3 내외이며, 실제 터널벽체에 타설된 숏크리트의 강섬유 혼입량은 31~38kg/m3 이었다 노선별로는 수도권 사업단의 경우 약 90%로 최대값을, 냉정-부산사업단의 경우 약 78%로 최소값을 나타내었다. 측정된 총 1, 290회의 실험결과로부터 계산된 평균 투입량은 41.3kg/m3, 평균 혼입량 35.70kg/m3, 표준편차 0.93kg/m3, 평균 혼입율 86%로 나타났으며, 이는 터널 표준시방서(2009)에서 규정한 30kg/nf을 그게 상회 하는 것을 알 수 있다
- 보인다. 타설부위별 강섬유 혼입량은 숏크리트 리바운드 차이로 인해 천단부가 측벽부에 비해 강섬유 혼입량이 3-4% 정도 낮게 측정되었다 또한 강섬유 투입량 37kg/m3, 40kg/m3일 경우에는 추정한 이론값과 현장시험시공 결과가 1~2%의 차이로 깅섬유 계량오차(3%) 범위 내로 나타난다. 따라서 강섬유보강 숏크리트 시공시 현장별 숏크리트 반발률과 강섬유 탈락률 등을 측정하여 적정 강섬유 투입량을 결정하기 위해 식 4를 유용하게 활용할 수 있다.
- 05 이상인 경우 정규성을 따른다고 판단한다. O。터널에서 실시된 총 32회의 강섬유혼입량 측정 결과, 평균값은 33.15kg/m3 그리고 표준편차는 0.73kg/m로 나타났으며 Anderson-Darling검정 결과 유의수준 0.29로써 정규성이 있다고 평가할 수 있다.
- 관계가 크다. 투입량대비 혼입량이 적다는 것은 리바운드되는 재료량이 증가하는 것을 의미하며, 결론적으로 시공된 숏크리트의 품질이 저하될 가능성이 높다. 변경 전 기준인 강섬유 투입량 40kg/m3 을 적용한 현장에서는 오히려 숏크리트의 시공속도를 증가 시켜 리바운드량이 증가하고 품질이 저하됨으로써 혼입량 품질관리를 소홀히 할 수 있다.
- 2kg/m3. 평균 혼입률은 90.1%로 나타났으며 이는 2006년 변경된 강섬유 혼입량 기준인 30kg/m3> 휠씬 상회하는 것으로 나타났다. 터널 현장의 시공단계별 숏크리트 반발률은 초기 실링 숏크리트에서 높게 나타나는 반면 1, 2차 숏크리트에서는 비슷한 숏크리트 반발률을 나타낸다.
- 측정값을 정규분포로 가정하고 공통인 분산에 대한 합동추정량(joint estimator)을 계산하였다(박성현, 1991). 표 2에서 나타난 바와 같이 현장 특성에 따라 약간씩 변하지만 강섬유 투입량은 약 40kg/m3 내외이며, 실제 터널벽체에 타설된 숏크리트의 강섬유 혼입량은 31~38kg/m3 이었다 노선별로는 수도권 사업단의 경우 약 90%로 최대값을, 냉정-부산사업단의 경우 약 78%로 최소값을 나타내었다. 측정된 총 1, 290회의 실험결과로부터 계산된 평균 투입량은 41.
- 터널 현장의 시공단계별 숏크리트 반발률은 초기 실링 숏크리트에서 높게 나타나는 반면 1, 2차 숏크리트에서는 비슷한 숏크리트 반발률을 나타낸다. 현장시험시공 결과 평균 숏크리트 리바운드율은 9%이고 반발된 숏크리트 내의 깅섬유 탈락률은 평균 200%로 나타났다.
- 현장시험시공을 통해 강섬유 투입량이 터널벽체 강섬유 혼입량에 미치는 영향을 분석한 결과 강섬유 혼입량 기준(30kg/nf)을 만족하는 숏크리트 배합시 강섬유 투입량은 37kg/m, 이 적정한 것으로 판단된다. 시험시공을 통해 현장별 특성에 맞는 숏크리트 리바운드율과 강섬유 탈락률을 확인하면 식 4에 의해 이론적인 강섬유 혼입량을 추정할 수 있고 코어채취에 의 한강 섬유 혼입량과 비교함으로써 터널현장별 강섬유 보강 숏크리트의 적정 강섬유 투입량을 산정할 수 있다.
후속연구
- 시험시공을 통해 현장별 특성에 맞는 숏크리트 리바운드율과 강섬유 탈락률을 확인하면 식 4에 의해 이론적인 강섬유 혼입량을 추정할 수 있고 코어채취에 의 한강 섬유 혼입량과 비교함으로써 터널현장별 강섬유 보강 숏크리트의 적정 강섬유 투입량을 산정할 수 있다. 강섬유 보강 숏크리트 원가의 가장 큰 비중을 차지하는 강섬유가 숏크리트 타설시 손실되는 양은 25~30%로 향후 강섬유 형상 개선, 숏크리트 리바운드율 저감, 숏크리트 성능 개선 등을 통해 강섬유 손실률을 저감할 수 있는 빙안에 대한 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.
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