최근 국내에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)을 이용한 터널 굴착에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 쉴드 TBM 터널은 비배수 터널로써 세그먼트 이음부에서 누수가 발생할 경우에는 터널의 사용성 및 안정성에 문제가 될 수 있다. 본 연구에서는 첫째로 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 시공 시 시공오차 및 세그먼트 과다변형에 의한 수팽창 지수재의 방수 성능 변화를 알아보았고, 두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 시험결과, 체결각 불합치가 $2^{\circ}$이상으로 시공 오차가 발생한 경우에는 수팽창 지수재의 차수 능력을 기대하기는 어려운 것으로 판단된다. 또한 수팽창 지수재가 황산마그네슘 용액에 장시간 노출될 경우에는 지수재의 내구 성능에 문제가 있을 수 있을 것으로 판단된다.
최근 국내에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)을 이용한 터널 굴착에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 쉴드 TBM 터널은 비배수 터널로써 세그먼트 이음부에서 누수가 발생할 경우에는 터널의 사용성 및 안정성에 문제가 될 수 있다. 본 연구에서는 첫째로 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 시공 시 시공오차 및 세그먼트 과다변형에 의한 수팽창 지수재의 방수 성능 변화를 알아보았고, 두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 시험결과, 체결각 불합치가 $2^{\circ}$이상으로 시공 오차가 발생한 경우에는 수팽창 지수재의 차수 능력을 기대하기는 어려운 것으로 판단된다. 또한 수팽창 지수재가 황산마그네슘 용액에 장시간 노출될 경우에는 지수재의 내구 성능에 문제가 있을 수 있을 것으로 판단된다.
The interest in the use of shield TBM (Tunnel Boring Machine) on the tunnel excavation has been increased rapidly in Korea. The shield TBM tunnel is generally designed as non-drainage tunnel. Consequently, if water leakage through the segment joints happens, big problems on the usage and stability o...
The interest in the use of shield TBM (Tunnel Boring Machine) on the tunnel excavation has been increased rapidly in Korea. The shield TBM tunnel is generally designed as non-drainage tunnel. Consequently, if water leakage through the segment joints happens, big problems on the usage and stability of tunnel can be occurred. In this study, the variation of waterproof capacity of hydrophilic waterstop by the construction error and excessive displacement of segment was studied firstly. Secondly, the decrease of durability of hydrophilic waterstop by the sulphate and chloride contained in the groundwater and seawater was investigated. The results showed that if the angle discordance at the segment joints is beyond the 2 degree, the proper waterproof capacity of hydrophilic waterstop can not be guaranteed. In addition, if the hydrophilic rubber waterstop is exposed to the sulphate for a while, the proper durability of hydrophilic waterstop can not be expected.
The interest in the use of shield TBM (Tunnel Boring Machine) on the tunnel excavation has been increased rapidly in Korea. The shield TBM tunnel is generally designed as non-drainage tunnel. Consequently, if water leakage through the segment joints happens, big problems on the usage and stability of tunnel can be occurred. In this study, the variation of waterproof capacity of hydrophilic waterstop by the construction error and excessive displacement of segment was studied firstly. Secondly, the decrease of durability of hydrophilic waterstop by the sulphate and chloride contained in the groundwater and seawater was investigated. The results showed that if the angle discordance at the segment joints is beyond the 2 degree, the proper waterproof capacity of hydrophilic waterstop can not be guaranteed. In addition, if the hydrophilic rubber waterstop is exposed to the sulphate for a while, the proper durability of hydrophilic waterstop can not be expected.
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문제 정의
장기 내구성 관점에서, 해수에는 일반적으로 55%의 염화물(chloride)와 30%의 나트륨(sodium)이 주를 이루는 것으로 알려져 있으며, 일반 지하수를 구성하는 주요소 중에 황산염(sulphate)이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 지하수 및 해수에 있을 수 있는 황산염 (sulphate)과 염화물(chloride)에 의한 지수재의 내구성 저하에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 기존 연구와 다르게 쉴드 터널용 수팽창 지수재(20 mm × 5 mm)를 사용하였고, 세그먼트 간 체결각 불일치(angle discordance) 는 물론, 세그먼트 이음부의 엇갈림(offset)에 의한 방수 성능 저하에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 우선 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 시공 시 시공오차 및 세그먼트 과다변형에 의한 수팽창 지수재 방수 성능을 알아보았다. 이를 위하여 정상적으로 시공이 완료된 상황을 재현하여 시험하고, Fig.
또한 산정된 투수계수를 실제 쉴드 TBM 터널에 적용하여 누수량을 산정하였다. 두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 이를 위하여 지하수를 모사한 황산마그네슘 1%, 3%, 5% 농도의 용액 및 해수를 모사한 염화물 3.
가설 설정
터널 해석 단면은 지표면 기준 20 m 지하에 직경 7 m의 터널이 굴착되었다고 가정하였으며, 해석 범위는 가로 100 m, 높이 44 m로 설정하였다. 세그먼트의 개수는 8개로 가정하였으며, 세그먼트와 세그먼트 사이에 지수재가 설치되는 것으로 모델링하였다.
0× 10-10 cm/sec로 설정하였다. 터널 해석 단면은 지표면 기준 20 m 지하에 직경 7 m의 터널이 굴착되었다고 가정하였으며, 해석 범위는 가로 100 m, 높이 44 m로 설정하였다. 세그먼트의 개수는 8개로 가정하였으며, 세그먼트와 세그먼트 사이에 지수재가 설치되는 것으로 모델링하였다.
누수량 측정 간격은 0.1초로 설정하였고, 24시간에 한 번씩 누수량을 측정하였다. 누수량 측정을 하지 않을 때의 수팽창 지수재는 장치 내에 저장된 용액에 의해 시간이 지날수록 팽창하게 되고, 이에 따라 방수 성능을 점차 발휘하게 된다.
누수량 측정을 하지 않을 때의 수팽창 지수재는 장치 내에 저장된 용액에 의해 시간이 지날수록 팽창하게 되고, 이에 따라 방수 성능을 점차 발휘하게 된다. 누수량 측정은 원칙적으로 누수가 멈출 때까지 측정하는 것으로 하였으나, 다만 누수가 멈추지 않는 경우에는 216시간까지 누수량을 측정한 후 시험을 종료하였다. 누수량을 토대로 투수계수를 산정하여 방수 성능의 지표로 삼았다.
누수량 측정은 원칙적으로 누수가 멈출 때까지 측정하는 것으로 하였으나, 다만 누수가 멈추지 않는 경우에는 216시간까지 누수량을 측정한 후 시험을 종료하였다. 누수량을 토대로 투수계수를 산정하여 방수 성능의 지표로 삼았다.
따라서 상온에서 건조시켜, 초기와 같은 크기로 수축 시킨 후 실험장비에 장착하여 방수성능 시험을 수행하고, 이를 토대로 내구성 변화를 조사하였다. 대조군으로 일반 물에 수 팽창 지수재를 동일기간 침지 및 건조 후, 동일한 방법으로 시험을 진행하였다.
5% 농도의 용액을 준비하여, 수팽창 지수재를 각각 7일, 15일 및 30일 동안 침지시킨 후 수팽창 지수재의 방수성능 변화를 앞에서와 동일한 방법으로 시험을 수행하였다. 대조군으로 일반 물에 수팽창 지수재를 동일기간 침지시킨 후 꺼내어 말린 후, 동일한 방법으로 시험을 진행하였다. 물, 염화물 3.
두 번째로 지하수와 해수에 의한 수팽창 지수재의 성능 저하를 알아보기 위하여 지하수를 모사한 황산마그네슘 용액을 1%, 3%, 5%의 농도로 준비하였고, 해수를 모사한 염화물 3.5% 농도의 용액을 준비하였다. 이 용액에 수팽창 지수재를 침지 시킨 후, 7일, 15일, 그리고 30일이 경과 되었을 때 수팽창 지수재를 꺼내었다.
또한 산정된 투수계수를 실제 쉴드 TBM 터널에 적용하여 누수량을 산정하였다. 두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 이를 위하여 지하수를 모사한 황산마그네슘 1%, 3%, 5% 농도의 용액 및 해수를 모사한 염화물 3.
전술한 바와 같이 수팽창 지수재는 방수 능력을 발휘하기 위해서는 일정한 수침시간이 필요하며, 심지어 체결각 불합치 2°및 3°조건에서는 수침시간이 216시간을 넘어도 방수 능력을 완전히 발휘하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 정상시공 조건, 엇갈림 조건, 체결각 불합치 조건에서 수침시간이 경과함에 따라 터널 내로 유입되는 누수량을 2차원 유한요소해석 프로그램인 SEEP/W를 사용하여 구해보았다. 즉, 전절에서 산정된 투수계수를 적용하여 누수량을 산정하였다.
이 때, 수팽창 지수재는 이미 팽창된 상태이므로 실험 장비에 설치할 수 없다. 따라서 상온에서 건조시켜, 초기와 같은 크기로 수축 시킨 후 실험장비에 장착하여 방수성능 시험을 수행하고, 이를 토대로 내구성 변화를 조사하였다. 대조군으로 일반 물에 수 팽창 지수재를 동일기간 침지 및 건조 후, 동일한 방법으로 시험을 진행하였다.
이를 위하여 정상 시공상태, 엇갈림 5 mm 및 10 mm, 그리고 체결각 불합치 1°, 2°, 3°의 상황에서 침투 수압을 각각 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa 으로 가압하여 실험적으로 누수량을 산정하고 이를 토대로 투수계수를 계산함으로써 방수 성능의 변화를 평가하였다. 또한 산정된 투수계수를 실제 쉴드 TBM 터널에 적용하여 누수량을 산정하였다. 두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다.
본 연구에서는 지수재의 방수성능을 측정하기 위하여, Fig. 2와 같이 Lee et al. (2009)의 연구에서 사용된 수팽창 지수재 방수 성능 시험 장비를 개조하여 사용하였다. 이 장비는 세그먼트 이음부를 모사한 부분에 수팽창 지수재를 설치(Fig.
본 연구에서는 첫째로 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 시공 시 시공오차 및 세그먼트 과다변형에 의한 수팽창 지수재의 방수 성능 변화를 알아보았고, 두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
엇갈림 (offset)에 의한 시공 오차는 5 mm 및 10 mm의 조건으로 시험을 실시하였고, 체결각 불합치의 경우는 1°, 2°, 및 3°에 대하여 시험을 실시하였다.
이 연구에서는 일반 수팽창 지수재(20 mm × 10 mm)를 사용하여 지수재의 팽창에 따른 누수량을 측정하였고, 세그먼트 간 체결각 불합치에 의한 시공오차를 중점적으로 연구하였다.
5% 농도의 용액을 준비하였다. 이 용액에 수팽창 지수재를 침지 시킨 후, 7일, 15일, 그리고 30일이 경과 되었을 때 수팽창 지수재를 꺼내었다. 이 때, 수팽창 지수재는 이미 팽창된 상태이므로 실험 장비에 설치할 수 없다.
이를 위하여 정상 시공상태, 엇갈림 5 mm 및 10 mm, 그리고 체결각 불합치 1°, 2°, 3°의 상황에서 침투 수압을 각각 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa 으로 가압하여 실험적으로 누수량을 산정하고 이를 토대로 투수계수를 계산함으로써 방수 성능의 변화를 평가하였다.
지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 이를 위하여 지하수를 모사한 황산마그네슘 1%, 3%, 5% 농도의 용액 및 해수를 모사한 염화물 3.5% 농도의 용액을 준비하여, 수팽창 지수재를 각각 7일, 15일 및 30일 동안 침지시킨 후 수팽창 지수재의 방수성능 변화를 앞에서와 동일한 방법으로 시험을 수행하였다. 대조군으로 일반 물에 수팽창 지수재를 동일기간 침지시킨 후 꺼내어 말린 후, 동일한 방법으로 시험을 진행하였다.
두 번째로 지하수와 해수에 있을 수 있는 황산염과 염화물에 의한 수팽창 지수재의 내구성 저하를 알아보았다. 이를 위하여 지하수를 모사한 황산마그네슘 1%, 3%, 5% 농도의 용액 및 해수를 모사한 염화물 3.5% 농도의 용액을 준비하여, 수팽창 지수재를 각각 7일, 15일 및 30일 동안 침지시킨 후 수팽창 지수재의 방수성능의 변화를 앞에서와 동일한 방법으로 시험을 수행하여 성능저하를 알아보았다.
따라서 본 연구에서는 정상시공 조건, 엇갈림 조건, 체결각 불합치 조건에서 수침시간이 경과함에 따라 터널 내로 유입되는 누수량을 2차원 유한요소해석 프로그램인 SEEP/W를 사용하여 구해보았다. 즉, 전절에서 산정된 투수계수를 적용하여 누수량을 산정하였다.
첫째로 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 시공 시 시공오차 및 세그먼트 과다변형에 의한 수팽창 지수재의 방수 성능 변화를 알아보았다. 이를 위하여 정상 시공상태, 엇갈림 5 mm 및 10 mm, 그리고 체결각 불합치 1°, 2°, 3°의 상황에서 침투 수압을 각각 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa 으로 가압하여 실험적으로 누수량을 산정하고 이를 토대로 투수계수를 계산함으로써 방수 성능의 변화를 평가하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 수팽창 지수재는 Fig. 1과 같이 폭 20 mm, 두께 5 mm의 쉴드 터널용 수팽창 지수재이다. Table 1은 사용된 수팽창 지수재의 물리적 성질을 나타낸다
성능/효과
1. 10 mm 이내로 엇갈림 시공이 이루어진 경우, 시간적 차이는 있을 수 있지만 수행한 모든 시험조건에서 일정시간이 경과하면 수팽창 지수재는 충분한 방수 성능을 확보하였다.
2. 체결각 불합치가 2°이상으로 시공 오차가 발생한 경우, 상당시간이 지나도 누수가 계속 발생하여 수팽창 지수재의 차수 능력을 기대하기는 어려운 것으로 판단된다.
3. 해수염 3.5% 용액에 침지 시킨 수팽창 지수재의 방수 성능은 일반 물에 침지 시킨 수팽창 지수재에 비해 크게 저하되지 않는 것으로 나타났다.
4. 황산마그네슘 용액에 침지시킨 수팽창 지수재의 경우 1%, 3%, 5% 용액 모두 실험 시작 후 최소 120시간 이상이 되어야 방수 성능이 나타났다. 또한 1%, 3% 용액에 30일 침지 시킨 경우와 5% 용액에 15일 이상 침지 시킨 경우에는 방수 성능을 제대로 발휘하지 못하였다.
침투 수압이 200 kPa로 가압하였을 경우에는, 정상시공 조건에서는 수팽창 지수재의 방수 능력은 96시간이 지나면 발휘되었고, 엇갈림 5 mm 일 때는 120시간, 엇갈림 10 mm 일 때는 216시간이 지났을 때 수팽창 지수재의 방수 능력이 충분히 발휘되었다. 결국 시간적 차이는 있을 수 있지만, 시험을 수행한 216시간 이내에 모든 엇갈림 시공조건에서 수팽창 지수재가 방수 성능을 충분히 발휘하였다. 침투 수압이 300 kPa 일 경우에는, 초기 투수계수가 다른 수압 조건과 비교하여 매우 크게 나타났지만, 시간이 지남에 따라 빠르게 회복하여 수압 200 kPa의 경우와 동일하게 시험을 수행한 216시간 이내에 모든 엇갈림 시공조건에서 수팽창 지수재가 방수 성능을 충분히 발휘하였다.
염화물 3.5% 용액에 침지 시킨 시편은 침지 후 7일 및 15일의 경우는 24시간 만에 방수 능력이 발휘 되었으나, 침지 후 30일이 지난 경우에는 48시간 만에 투수계수가 ‘0’이 되어 완전한 방수 능력을 나타내었다.
전술한 바와 같이 수팽창 지수재는 방수 능력을 발휘하기 위해서는 일정한 수침시간이 필요하며, 심지어 체결각 불합치 2°및 3°조건에서는 수침시간이 216시간을 넘어도 방수 능력을 완전히 발휘하지 못하는 것으로 나타났다.
6～8에서 알 수 있듯이 침투 수압을 100 kPa로 가압하였을 경우에는, 정상시공 조건에서는 처음부터 누수가 발생하지 않았고, 나머지 시공 조건(엇갈림 5 mm 및 엇갈림 10 mm)에서는 모두 하루 만에 투수계수가 ‘0’으로 수렴하여 방수 성능을 충분히 발휘하였다. 침투 수압이 200 kPa로 가압하였을 경우에는, 정상시공 조건에서는 수팽창 지수재의 방수 능력은 96시간이 지나면 발휘되었고, 엇갈림 5 mm 일 때는 120시간, 엇갈림 10 mm 일 때는 216시간이 지났을 때 수팽창 지수재의 방수 능력이 충분히 발휘되었다. 결국 시간적 차이는 있을 수 있지만, 시험을 수행한 216시간 이내에 모든 엇갈림 시공조건에서 수팽창 지수재가 방수 성능을 충분히 발휘하였다.
그러나 이러한 판단은 본 실험이 진행된 시간이내의 연구결과로서, 해저터널 등에 장기간 노출되었을 경우에는 다른 결과를 양산할 수도 있다. 팽창 지수재가 황산마그네슘 용액에 장시간 노출될 경우는 지수재의 내구 성능에 문제가 있을 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
단 제시한 방수성능 연구결과는 본 실험에 사용된 수팽창 지수재의 규모, 성능(팽창성 등), 설치간격 그리고 세그먼트의 규모에 해당하는 결과로서 실험 제원이 바뀌면 연구결과가 달라질 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세그먼트 이음부의 일반적 누수 원인은?
세그먼트 이음부를 통한 일반적인 누수 원인을 살펴보면, 시공 시 시공오차 및 세그먼트 파손, 세그먼트 과다 변형, 이음부 방수재의 탈락, 지수재의 내구성 저하 등을 꼽을 수 있다. 이 중 세그먼트 시공 시 시공오차 및 과다 변형이 누수의 주요 원인이라고 할 수 있다(Shin, 2008).
쉴드 TBM 터널이란?
, 2013). 대부분 배수 터널인 NATM 터널과는 다르게 쉴드 TBM 터널은 비배수 터널로써, 세그먼트 이음부에서 누수가 발생할 경우에는 터널의 사용성 및 안정성에 문제가 될 수 있다. 현재 국내에서는 여러 가지 방수재료 중에서 세그먼트 이음부의 방수성능을 확보하기 위하여 물과의 반응에 의하여 팽창을 일으켜 지수재 홈에 의해 구속되는 반발력으로 수압에 저항하며 방수효과를 나타내는 수팽창 지수재를 대부분 사용하고 있다.
세그먼트 이음부의 장기적인 누구 원인은?
이 중 세그먼트 시공 시 시공오차 및 과다 변형이 누수의 주요 원인이라고 할 수 있다(Shin, 2008). 장기적인 누수의 원인으로는지하수 및 해수에 포함되어 있는 화학물질들에 의한 지수재의 내구성 저하를 들 수 있다. Lee et al.
참고문헌 (6)
Ahn, S.I. (2005), "Analyses of ground-water by impacts of tunneling", Master dissertation, Kyungpook National University, Daegu, Korea.
Hyun, K.C., Min, S.Y., Moon, J.B., Jeong, G.H., Lee, I.M. (2012), "Risk management applicable to shield TBM tunnel: I. Risk factor analysis", J. of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 14, No. 6, pp. 667-681.
Kim, Y.I., Hencher, S.R., Yoon, Y.H., Cho, S.K. (2002), "Determination of the construction method for Young Dong tunnel by risk assessment", J. of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 4, No. 2, pp. 13-25.
Kim, S.H., Kim, W.K., Lee, H.Y. (2013), "Effect of segment thickness during shield TBM tunnelling in case study", J. of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 3, pp. 311-320.
Lee, S.W., Jeoung, J.H., Hwang, J.H. (2009), "Evaluation of hydrophilic waterstop for shield TBM tunnel under high water pressure", Proc. of Korean Geo-Environmental Conference, Seoul, Korea, pp. 389-392.
Shin, Y.S. (2008), "Study on hydraulic tunnel-ground interaction", Ph.D dissertation, Konkuk University, Seoul, Korea.
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