선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 전 세계적으로 수요가 증가하고 있는 해저터널의 설계 및 시공기술 확보의 일환으로 향후 추가적인 연구를 위한 고수압 해저터널에서의 동결공법 설계요소를 도출하였으며, 이를 위해 동결 공법 시공사례를 조사하고 동결공법에서 보편적으로 사용하는 냉매인 브라인(brine)과 액체질소(LN2)에 대한 분석을 수행하였다.
- 해저터널은 육지에서의 터널과 달리 고수압이 작용 하여 터널 내 해수용출 및 지반변형이 발생할 수 있으며, 이를 일시적으로 차수할 수 있는 동결공법을 적용 하여 문제를 해결 할 수 있다. 본 연구에서는 향후 해저터널에 적용할 수 있는 동결공법 설계요소 도출을 위하여 국내 적용 사례가 없는 동결공법의 국외 사례를 조사하였고 동결공법에 보편적으로 사용하는 냉매에 대한 검토를 수행하였다. 주요한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 첫째 설계요소는 동결범위 선정이다. 동결범위 선정을 위해서는 지반조건을 고려한 동토의 목표 지반 강도를 정하는 것이 필수이다.
제안 방법
- 동결공법을 적용한 터널단면의 상반은 대수층이고 하반은 암반이므로 동토는 상반 대수층에만 형성하였으며, 동토의 두께는 1 m이다. 3차원 열-수리 연동 수치해석을 수행하여 온도분포 양상 및 동토의 형성을 Fig. 2와 같이 분석하였다. 이를 바탕으로 동결 파이프를 Fig.
- 목표 지반강도 유지기간을 정한 후 동결기간 동안 동토를 동결시키고 동결상태를 유지할 수 있는 최적의 동결 온도를 선정하여야 한다. DTSS 4공구 및 Naples subway에서는 동토의 동결온도를 각각 -20℃(커터 챔버 온도), -10℃로 설계하여 동결기간 동안 동토를 유지하였으며, 온도 측정구를 설치하여 동결온도 유지를 위한 모니터링을 수행할 수 있도록 하였다. DTSS 4공구 및 Naples subway를 비롯한 Westerscheled 터널과 Fürth subway 역시 동토의 온도를 모니터링 할 수 있도록 온도 측정구를 설계에 반영하였다.
- Stadthalle역과 인접한 Rednitz Valley 구간은 모래 및 연약지반으로 구성되어 있고 지상에는 역사적･문화적 가치가 큰 건물이 위치하고 있어 시공 시 주의가 필요한 것으로 판단되었으며, 터널굴착 시 지하수 용출, 지표침하 방지를 목적으로 56 m에 이르는 구간에 지반 동결공법을 적용하였다. 동결공법의 냉매로 브라인을 사용하였으며, 2개조의 동결장비를 운영하였고 사용한 냉각기의 용량은 465 kW이다.
- Table 5에 상기 서술한 기존 동결공법 냉매 연구에서 조사된 브라인과 액체질소 일반적인 적용 조건및 특징을 요약･비교하였다.
- 고수압 해저터널의 연결구 주변 및 TBM 막장면에 동결공법을 적용하기 위하여 국외 동결공법 사례 및 동결공법 냉매 조사･분석을 통하여 동결공법 주요 설계요소 5가지를 도출하였다.
- 즉, 극저온, 안정성, 그리고 빠른 동결속도를 모두 만족하는 최적의 냉매를 선정하는 것이 고수압 해저터널에 적용하는 동결공법의 중요한 요소이다. 국외 동결공법의 사례연구를 통해서 동결공법 분야에서 보편적으로 사용되는 냉매는 브라인과 액체질소로 파악 되었으며, 브라인과 액체질소에 대한 조사 및 상기 동결공법 국외 사례를 통한 분석을 수행하였다.
- 동결공법의 냉매로는 액체질소를 사용하였으며, Fig. 4와 같이 폭 7.3 m, 높이 7.45 m, 연장 4.6 m의 동토가 형성되고 동결 완료 시 동토의 일축압축강도는 150～200 kg/cm2 , 커터 챔버 내 온도는 -20℃를 유지하도록 설계하였다. 동결 파이프는 42공, 간격은 0.
- 동토(凍土)의 최소 두께는 2m이며, 연결구 주위의 지반으로 냉매를 주입하기 위하여 연결구 굴착선 주위에 1 m 간격으로 동결 파이프(freezing pipe)를 설치할 공(孔)의 위치를 선정하고 막장면에서 수평방향으로 천공 후 동결 파이프를 삽입하였다. 연결구 1개소당 22 개의 동결 파이프, 온도측정을 위한 온도 측정구(temperature hole) 2공이 설치되었다(Fig.
- 75 m의 3분의 1까지 좁아질 수 있다. 따라서 장공 천공으로 인한 오차를 동결 파이프 간 간격에 반영하여 동결 파이프를 1.25 m 간격으로 배치하였다. 플랫폼 터널 1개소당 동결 파이프 55개, 온도측정을 위한 온도 측정구 11개가 설치되었다.
- 또한, 동결공법 냉매의 일반적인 적용 조건 및 특징과 동결공법 사례 연구를 통하여 냉매 선정 시 고려사항을 도출하였다. 동결공법 사례 연구를 통하여 냉매 선정의 공통점을 분석한 결과, 환기 조건에 따라 환기가 원활한 조건일 경우 액체질소, 환기가 원활하지 않은 조건일 경우 브라인을 동결공법 냉매로 선정했음을 알 수 있었다.
- 9 m이며, 지상에서 동결이 필요한 심도까지 수직 천공하여 150 mm PVC 파이프를 설치 후 그 속에 동결 파이프를 삽입하였다. 또한, 온도측정을 위하여 온도센서를 동토 외부에 3개, 내부에 1개, 총 4개를 설치하여 동토의 온도를 관리하였다.
- 25 m2, 연장 12 m, 250 m 마다 설치)는 20～30 m 두께의 중간 정도 느슨한 모래에 점토, 이탄, 세사 등이 포함되어 있는 연약지반을 통과한다. 연결구 시공시 고수압으로 인한 하천수 용출방지 및 연약지반 보강을 위하여 26개소에 지반 동결공법을 적용하였다. 동결공법의 냉매로 브라인을 사용하였으며, 94 kW 용량의 냉각기를 사용하여 –37℃의 온도를 유지하였다.
- 특히, 본선터널과 연결구 교차부에 설치된 강재 세그먼트는 동토와 접하여 있고 열 전달성이 높아 동토와 열 교환이 발생하고 이로 인하여 동토의 온도가 상승하여 동토가 설계된 대로 형성되지 않을 가능성이 있다. 이러한 현상을 방지하고자 드라이아이스(dry ice)를 이용하여 강재 세그먼트의 온도를 저온으로 유지하였으며, 강재 세그먼트가 설치된 부분 외 연결구 주위 지반에는 지반 내에 임시 공간을 굴착하여 지반 내 공기의 온도를 낮추어 주었다. 이러한 시공관리를 통하여 Westerscheled 터널의 모든 연결구에서 설계된 대로 동토를 형성할 수 있었다.
- 이에 Università Station의 플랫폼 터널 굴착 시 지하수 유출을 방지하기 위한 차수보강이 필요하며, 차수보강 방안으로 지반 동결공법을 선택하였다.
- TBM 장비의 커터(cutter) 교체 및 고속도로 및 하천 하부 통과 전 장비점검을 위하여 굴진을 멈추고 TBM 장비 앞 부분에 위치한 커터 챔버(cutter chamber)에 작업자가 진입해야 하나, TBM 장비가 정지한 지점의 터널상부에는 초 연약층이 존재하고 막장으로부터 커터 챔버 내로 다량의 지하수가 유입되어 커터 교체 및 장비점검에 어려움이 발생하였다. 이에 막장면 차수와 터널상부의 붕락방지를 위한 보강방안을 검토하였으며, 지반 동결공법을 보강방안으로 선정하였다.
- 따라서 정거장 시공 시 개착(cut and cover)공법 적용이 불가하다. 이에 연장 구간 내 위치하는 정거장 시공 시 Fig. 5와 같이 정거장 중앙 위치에 수직구를 굴착하여 수직구로부터 양 방향으로 본선궤도와 연결되는 플랫폼(Platform) 터널을 굴착하고 플랫폼으로 이동하는 에스컬레이터를 설치할 수 있도록 플랫폼 터널 양쪽 바깥으로 경사터널을 굴착하였다. 터널굴착은 NATM 공법을 적용하였다.
- 동결공법의 냉매로 액체질소를 사용하였으며, 동결 파이프에 주입 시 액체질소의 온도는 -196℃이며, 동결 파이프에서 배출 시 기화된 질소의 온도는 -60～-100℃가 되도록 액체질소 주입압력을 유지하였다. 터널 주변으로 1 m 두께의 동토가 형성되고 온도는 -10℃ 이하를 유지하도록 동결공법을 설계하였다.
대상 데이터
- 3과 같이 배치하였으며, 정거장의 수직구에서 수평방향으로 천공하여 동결 파이프를 동결 대상지반에 삽입하였다. 1단면 당 동결 파이프 23개, 온도측정을 위한 온도 측정구가 터널방향과 수평으로 8개, 수직으로 5개가 설치되었다.
- Università Station 역시 위와 동일한 방법으로 시공되었으며, 깊이 30 m, 폭 40 m, 길이 20 m의 수직구, 연장 48 m의 플랫폼 터널 4개소 및 에스컬레이터 시설이 위치할 경사터널 4개소로 구성된다.
- 다섯째 설계요소는 동토의 열 교환 방지이다. 동토와 인접한 곳에 열 전도율이 높은 구조물이나 지보재가 존재할 경우, 동토와 구조물이나 지보재 사이에 열 교환이 발생하여 동토의 온도가 상승할 수 있다.
- 동결공법의 냉매로 브라인을 사용하였으며, 94 kW 용량의 냉각기를 사용하여 –37℃의 온도를 유지하였다.
- 동결공법의 냉매로 액체질소를 사용하였으며, 동결 파이프에 주입 시 액체질소의 온도는 -196℃이며, 동결 파이프에서 배출 시 기화된 질소의 온도는 -60～-100℃가 되도록 액체질소 주입압력을 유지하였다. 터널 주변으로 1 m 두께의 동토가 형성되고 온도는 -10℃ 이하를 유지하도록 동결공법을 설계하였다.
- 한편, 액체질소를 동결공법 냉매로 사용한 DTSS 4공구와 Naples subway의 경우, DTSS 4공구는 지상에서 동결공법을 수행하였으며, Naples subway는 동결공법을 적용한 플랫폼 터널 중간에 정거장 수직구가 존재하고 수직구와 연결된 경사터널과 플랫폼 터널이 서로 연결되어 있어 두 사례 모두 환기에 유리한 조건이다. 따라서, 작업자가 질식의 위험성으로부터 안전한 조건이므로 브라인에 비하여 동결속도가 빨라 신속한 지반 차수 및 보강이 가능한 액체질소를 냉매로 사용하였다.
- 두 사례 모두 터널 중간에 환기를 위한 수직구 설치가 불가하여 환기에 불리한 조건이다. 따라서, 환기가 용이치 않은 공간에서 질식의 위험성 및 인체 유해성이 적은 브라인을 동결공법의 냉매로 사용하였다. 한편, 액체질소를 동결공법 냉매로 사용한 DTSS 4공구와 Naples subway의 경우, DTSS 4공구는 지상에서 동결공법을 수행하였으며, Naples subway는 동결공법을 적용한 플랫폼 터널 중간에 정거장 수직구가 존재하고 수직구와 연결된 경사터널과 플랫폼 터널이 서로 연결되어 있어 두 사례 모두 환기에 유리한 조건이다.
- 셋째 설계요소는 냉매 선정이다. 동결공법 냉매 선정 시 최우선으로 고려하여야 할 사항은 작업자의 안전이다.
- 환기에 불리한 조건인 Westerscheled 터널과 Fürth subway의 경우, 질식의 위험성이 없고 인체 유해성이 적은 브라인을 냉매로 사용하였으며, 환기에 유리한 조건인 DTSS 4공구와 Naples subway 의 경우, 작업자가 질식의 위험성에서 안전할 수 있어 브라인 보다 동결속도가 빨라 신속한 지반 차수 및 보강이 가능한 액체질소를 냉매로 사용하였다.
이론/모형
- 5와 같이 정거장 중앙 위치에 수직구를 굴착하여 수직구로부터 양 방향으로 본선궤도와 연결되는 플랫폼(Platform) 터널을 굴착하고 플랫폼으로 이동하는 에스컬레이터를 설치할 수 있도록 플랫폼 터널 양쪽 바깥으로 경사터널을 굴착하였다. 터널굴착은 NATM 공법을 적용하였다. Università Station 역시 위와 동일한 방법으로 시공되었으며, 깊이 30 m, 폭 40 m, 길이 20 m의 수직구, 연장 48 m의 플랫폼 터널 4개소 및 에스컬레이터 시설이 위치할 경사터널 4개소로 구성된다.
성능/효과
- 2. 고수압 조건의 해수는 순수한 물에 비하여 어는점이 더 낮기 때문에 지상에서 사용하는 냉매보다 저온의 냉매가 필요하다. 또한, 해저터널과 같이 환기구 설치가 어렵고 굴착이 진행되어감에 따라 막장으로의 접근 길이가 길어지는 경우, 냉매는 최우선으로 안정성을 확보할 수 있어야 하며, 해수용출 및 지반 변형으로 인한 터널의 손실을 최소화 하기 위하여 신속한 보강이 가능할 수 있도록 동결 속도가 빨라야 한다.
- 3. 브라인은 냉매의 재사용 가능하고 독성이 적어 인체에 미치는 영향이 적으며, 동결에 상대적으로 장시간 필요하고 동결장비가 복잡한 특징을 가지고 있다. 또한, 환기가 용이하지 않은 조건에서는 작업자의 안전을 확보하기 위하여 질식 위험성이 없는 브라인을 동결공법의 냉매로 사용한다.
- 또한, 동결공법 냉매의 일반적인 적용 조건 및 특징과 동결공법 사례 연구를 통하여 냉매 선정 시 고려사항을 도출하였다. 동결공법 사례 연구를 통하여 냉매 선정의 공통점을 분석한 결과, 환기 조건에 따라 환기가 원활한 조건일 경우 액체질소, 환기가 원활하지 않은 조건일 경우 브라인을 동결공법 냉매로 선정했음을 알 수 있었다. 브라인을 동결공법 냉매로 사용한 Westersceled 터널과 Fürth subway의 경우, Westersceled 터널은 하저터널이며, Fürth subway는 동결공법을 적용한 구간 상부에 역사적･문화적 가치가 큰 건물이 위치하고 있다.
후속연구
- 4. 해저터널에 필요한 동결공법의 주요 설계요소는 동결범위 및 동결온도 선정, 냉매 선정, 동결공 배치, 동토의 열 교환 방지, 이상 5가지가 도출되었으며, 동결공법에 대한 T-H-M 수치해석 모델 개발, 모형 동결실험 및 동결공법 현장 실증실험 등을 통하여 도출한 설계요소들에 대한 향후 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.