[논문]경량 고강도 강관 록볼트의 지보특성에 관한 연구

김종우; 김명균; 김동만; 김경훈; 백재욱

doi:10.7474/tus.2014.24.5.395

문제 정의

실제로 국내에서 사용되는 이형봉강 록볼트는 KS D3504에 규정되어 있는 SD350, SD400의 재질을 가진 것이 통상적으로 사용되고 있다. 또한, 볼트의 직경은 각종 시공조건에 따라 D22~D29의 규격이 사용되고 있으나, 우리나라 터널설계기준(2007)에서는 일반적으로 D25의 규격을 표준으로 함을 명시하고 있고 도로공사 표준시방서(2009)에서도 직경 25 mm 이상의 록볼트를 품질기준으로 정하기 때문에, 본 연구에서는 개발된 록볼트의 특성이 D25 이형봉강 록볼트와 어떠한 차이를 보이는지 조사하였다.
록볼트와 암반 천공의 내벽 사이가 그라우트로 완전히 충전되는지를 현장에서 확인하기는 곤란하기 때문에, 본 연구에서는 그라우트 주입확인을 위한 실내 모형시험을 실시하였다. 실험의 방법은 다음과 같다.
본 연구에서 개발된 록볼트의 현장 적용성을 검토하기 위하여 국내 3개 현장에서 록볼트의 극한인발시험을 실시하였다. Table 6은 현장 암반의 세부사항을 나타낸 것으로, 이들은 서로 다른 암반등급을 가지고 있다.
한편, 록볼트는 일반적으로 인장재로 사용되기 때문에 지압에 대응하는 충분한 인장강도를 가져야 하지만, 터널의 급격한 붕괴를 방지하기 위해서는 적절한 유연성도 가져야 한다. 본 연구에서는 강도 및 신장특성을 동시에 가지면서 부식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는 록볼트를 개발하였다. 이는 특수 재질의 강관 형태 록볼트로서, 강관 내부를 통한 그라우트 주입 방식을 적용함으로써 완전충전을 할 수 있는 특징을 가지고 있다.
록볼트는 내구성이 커야 할뿐 아니라 및 현장 지압에 대응하는 적절한 강도를 갖추어야 한다. 본 연구에서는 개발된 특수강관 록볼트에 대해 인장시험을 실시하여 록볼트의 강도특성을 조사하였다. 또한, 기존의 이형봉강 록볼트의 특성을 조사하고, 이를 개발된 록볼트의 특성과 비교하였다.
본 연구에서는 그라우트의 완전충전 가능성을 높이고, 이형봉강 록볼트에 비해 단위길이당 중량이 작으면서도 소요 강도특성을 갖춘 특수 재질의 강관 형태 록볼트를 개발하였다. Fig.
본 연구에서는 특수 재질의 경량 고강도 강관 록볼트를 개발하였다. 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

(2) 아크릴 관에 록볼트를 삽입하고 고정구와 패커를 설치하여 천공을 밀폐시킨 후, 강관 내부를 통해 그라우트를 주입하였다.
(3) 주입된 그라우트가 강관 말단과 토출구를 통해 유출되기 시작하면 그라우트의 흐름 상태와 그라우트의 충전여부를 관찰하였다.
4. RMR 분류등급이 서로 다른 국내 3개 현장에서 실시한 현장인발시험을 통해 본 록볼트의 강도 및 신장특성을 확인하였다.
3개 현장은 경남 함양군의 2곳과 울산시의 1곳에 위치한 석산개발현장으로 각각 H1, H2, U1으로 명명한다. H1, H2 현장에서는 각각 특수강관 록볼트 2개씩 시험을 하였고, U1현장에서는 특수강관 록볼트 2개와 SD350 재질의 D25 이형봉강 록볼트 1개 등 총 3개 록볼트에 대해 인발시험을 실시하였다. 이와 같이 본 연구에서는 암반등급이 서로 다른 현장에서 인발시험을 실시하여 록볼트의 내하력을 조사하였고, 특히 Ⅲ등급 암반에서는 두 가지 종류의 록볼트에 대해 동시에 인발 시험을 실시함으로써 이들의 인발특성을 비교하였다.
이와 같이 개발된 특수강관 록볼트에 대한 성능을 평가하기 위하여 실내 그라우트 주입확인 시험을 실시하였고, 인장시험을 통해 록볼트의 강도 및 신장특성을 구하였다. 또한, 국내 3가지 암반 굴착현장에서 인발시험을 실시함으로써 이형봉강 록볼트와 강관 록볼트의 성능을 비교 평가하고 현장적용의 적합성을 검토하였다.
본 연구에서는 개발된 특수강관 록볼트에 대해 인장시험을 실시하여 록볼트의 강도특성을 조사하였다. 또한, 기존의 이형봉강 록볼트의 특성을 조사하고, 이를 개발된 록볼트의 특성과 비교하였다.
본 실험에서는 물-시멘트비가 50%인 그라우트를 사용하여 0.3∼0.5 MPa의 압력으로 그라우트를 주입하였다.
실제로 인발시험은 그라우팅 주입 후 최소 3일 이상 양생한 후에 실시하였다. 시험 록볼트의 간격은 2 m로 하였고, 인발하중은 록볼트의 파괴가 일어날 때까지 2톤씩 점진적으로 증가 시켰으며 하중단계별로 변위를 측정하였다.
이는 특수 재질의 강관 형태 록볼트로서, 강관 내부를 통한 그라우트 주입 방식을 적용함으로써 완전충전을 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이와 같이 개발된 특수강관 록볼트에 대한 성능을 평가하기 위하여 실내 그라우트 주입확인 시험을 실시하였고, 인장시험을 통해 록볼트의 강도 및 신장특성을 구하였다. 또한, 국내 3가지 암반 굴착현장에서 인발시험을 실시함으로써 이형봉강 록볼트와 강관 록볼트의 성능을 비교 평가하고 현장적용의 적합성을 검토하였다.
H1, H2 현장에서는 각각 특수강관 록볼트 2개씩 시험을 하였고, U1현장에서는 특수강관 록볼트 2개와 SD350 재질의 D25 이형봉강 록볼트 1개 등 총 3개 록볼트에 대해 인발시험을 실시하였다. 이와 같이 본 연구에서는 암반등급이 서로 다른 현장에서 인발시험을 실시하여 록볼트의 내하력을 조사하였고, 특히 Ⅲ등급 암반에서는 두 가지 종류의 록볼트에 대해 동시에 인발 시험을 실시함으로써 이들의 인발특성을 비교하였다.
35 kgf/m로서 이형봉강 볼트에 비해 약 34%의 무게를 가져 경량이기 때문에 취급이 용이하다. 하지만 강관의 단면적은 이형봉강에 비해 작으며 동일한 재질일 경우 강도 역시 작을 수밖에 없기 때문에, 본 연구에서 개발된 특수강관 록볼트는 강도 특성을 높이기 위해 특수한 재질과 열처리 공정을 거쳐 제작되었다.

대상 데이터

(1) 현장 천공과 동일한 규격을 가진 지름 45 mm의 투명한 아크릴 관과 지지대로 구성된 시험장치를 제작하였다. Fig.
3개 현장은 경남 함양군의 2곳과 울산시의 1곳에 위치한 석산개발현장으로 각각 H1, H2, U1으로 명명한다. H1, H2 현장에서는 각각 특수강관 록볼트 2개씩 시험을 하였고, U1현장에서는 특수강관 록볼트 2개와 SD350 재질의 D25 이형봉강 록볼트 1개 등 총 3개 록볼트에 대해 인발시험을 실시하였다.
한편, 본 연구에서 개발된 록볼트는 내경 20.6 mm, 외경 25.4 mm, 두께 2.4 mm인 강관 형태이고 길이는 4 m이다. Fig.

이론/모형

본 연구에서는 개발된 특수강관 록볼트의 강도특성 구하기 위하여 KS B 0802(2003) 시험방법에 따라 인장시험을 실시하였다. 3개의 시험편에 대해 시험을 실시하였으며, Table 4는 시험결과를 정리한 것이다.

성능/효과

1. 강관 내부를 통한 그라우트 주입 방식을 적용한 본 록볼트를 사용하여 그라우트 주입확인시험을 실시하였으며, 그 결과 천공 각도에 상관없이 완전충전이 이루어짐을 확인하였다. 따라서 본 록볼트는 그라우트 완전충전 효과에 따라 부식성 환경에서 내구 성이 클 가능성이 있는 것으로 생각된다.
2. 본 록볼트는 동일 규격인 D25 이형봉강 록볼트에 비해 약 34%의 무게를 가져 경량이기 때문에 취급이 용이하다.
3. 인장시험을 통해 얻은 본 록볼트의 항복내하력은 194 kN으로서 SD350 재질의 D25 이형봉강의 기준치 177 kN에 비해 약 110%의 성능을 나타내었다.
이는 시험에서 얻어진 극한인발력 216 kN보다 작으므로 이 록볼트는 합격으로 볼 수 있다. 둘째, 특수강관 록볼트의 인발내력은 Table 5와 같이 194 kN이므로 현장인발기준은 155 kN이다. 이 또한 극한인발력 255 kN보다 작으므로 합격이다.
강관 내부를 통한 그라우트 주입 방식을 적용한 본 록볼트를 사용하여 그라우트 주입확인시험을 실시하였으며, 그 결과 천공 각도에 상관없이 완전충전이 이루어짐을 확인하였다. 따라서 본 록볼트는 그라우트 완전충전 효과에 따라 부식성 환경에서 내구 성이 클 가능성이 있는 것으로 생각된다.
또한, 천공 각도가 그라우트의 충전에 미치는 영향을 알아보기 위하여 시험장치를 30, 60, 90°로 회전시켜 주입 각도를 달리한 시험도 실시하였는데, 모든 경우에서 그라우트는 천공 내벽을 완전히 충전함을 알 수 있었다.
7배 더 큰 것을 의미한다. 이로부터 본 록볼트는 기존의 이형봉강 록볼트에 비해 유연성과 신장특성이 큰 것을 알 수 있었다. 실제로 터널의 천정 부에 불연속면으로 둘러싸진 암석 블록(key block)이 존재할 경우에 록볼트의 저항력이 부족하여 파괴되면, 암석 블록은 급격히 낙하 붕락함으로써 터널 재해가 발생하기도 한다.
이와 같이 실내 모형실험을 통해 본 록볼트는 그라우트와 천공 내벽 사이가 완전충전됨을 확인하였으나, 이형봉강 록볼트에 대한 비교 시험은 실시되지 않았다. 향후 동일한 시험장치를 사용하여 이형봉강 록볼트에 대한 시험을 실시함으로써 두 가지 록볼트의 충전 정도에 대한 정량적인 검토가 필요할 것으로 생각된다.
64이다. 즉, 본 연구에서 개발된 특수강관 록볼트는 유연성이 클 뿐 아니라 강도특성이 우수하다고 생각된다. 그러나 비교시험이 충분하지 않아 신뢰성은 작기 때문에 향후 보다 많은 현장비교시험이 필요하다.
첫째, SD350 재질의 D25 이형봉강 록볼트의 인발내력은 Table 2와 같이 177 kN이므로 현장인발기준은 142 kN이다. 이는 시험에서 얻어진 극한인발력 216 kN보다 작으므로 이 록볼트는 합격으로 볼 수 있다.
한편, Table 5는 본 연구에서 구한 특수강관 록볼트의 인장특성 평균값을 D25 이형봉강 록볼트와 비교한 것이다. 특수강관 록볼트의 항복내하력은 194 kN으로서 SD350 재질의 D25 이형봉강의 기준치 177 kN에 비해 약 110%의 성능을 나타내었다.

후속연구

5. 본 록볼트는 이형봉강 록볼트에 비해 항복내하력이 클 뿐 아니라 경량이라 취급이 용이하며 부식성 환경에서 내구성이 클 가능성이 있지만, 본 록볼트의 고내구성을 실제적으로 입증하기 위해서는 다양한 현장에서의 장기적인 계측과 인발시험이 필요하다.
즉, 본 연구에서 개발된 특수강관 록볼트는 유연성이 클 뿐 아니라 강도특성이 우수하다고 생각된다. 그러나 비교시험이 충분하지 않아 신뢰성은 작기 때문에 향후 보다 많은 현장비교시험이 필요하다. 또한, 본 록볼트의 고내구성을 실제적으로 입증하기 위해서는 부식성 환경을 가진 현장 지반에서 기존 이형봉강 록볼트와 본 록볼트를 동시에 시공한 조건에서 두 가지 록볼트에 대한 장기적인 계측과 인발시험도 필요하다고 생각된다.
그러나 비교시험이 충분하지 않아 신뢰성은 작기 때문에 향후 보다 많은 현장비교시험이 필요하다. 또한, 본 록볼트의 고내구성을 실제적으로 입증하기 위해서는 부식성 환경을 가진 현장 지반에서 기존 이형봉강 록볼트와 본 록볼트를 동시에 시공한 조건에서 두 가지 록볼트에 대한 장기적인 계측과 인발시험도 필요하다고 생각된다.
실제로 터널의 천정 부에 불연속면으로 둘러싸진 암석 블록(key block)이 존재할 경우에 록볼트의 저항력이 부족하여 파괴되면, 암석 블록은 급격히 낙하 붕락함으로써 터널 재해가 발생하기도 한다. 하지만 본 록볼트는 유연성이 큰 특징을 가지기 때문에, 터널 천단 침하에 대한 철저한 계측 관리를 통한 추가 보강을 실시한다면 암석 블록의 급격한 붕락은 방지될 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같이 실내 모형실험을 통해 본 록볼트는 그라우트와 천공 내벽 사이가 완전충전됨을 확인하였으나, 이형봉강 록볼트에 대한 비교 시험은 실시되지 않았다. 향후 동일한 시험장치를 사용하여 이형봉강 록볼트에 대한 시험을 실시함으로써 두 가지 록볼트의 충전 정도에 대한 정량적인 검토가 필요할 것으로 생각된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	록볼트의 효과는?	NATM 공법이 국내 표준적인 터널 굴착공법으로 일반화됨에 따라 록볼트와 숏크리트의 사용 빈도는 점차 증가하고 있다. 국내에서는 선단정착형, 전면접착형, 혼합형 등의 여러 가지 형식의 록볼트가 사용되고 있으며, 록볼트를 터널 시공에 적용하면 매달림효과, 빔 형성효과, 내압효과, 원지반 아치 형성효과, 지반 개량효과 등의 각종 지보효과를 통해 터널의 안정성은 증가하는 것으로 보고되고 있다(김종우, 2007).
	국내에서 사용되고 있는 록볼트의 형식은?	NATM 공법이 국내 표준적인 터널 굴착공법으로 일반화됨에 따라 록볼트와 숏크리트의 사용 빈도는 점차 증가하고 있다. 국내에서는 선단정착형, 전면접착형, 혼합형 등의 여러 가지 형식의 록볼트가 사용되고 있으며, 록볼트를 터널 시공에 적용하면 매달림효과, 빔 형성효과, 내압효과, 원지반 아치 형성효과, 지반 개량효과 등의 각종 지보효과를 통해 터널의 안정성은 증가하는 것으로 보고되고 있다(김종우, 2007).
	단위길이당 중량이 커서 취급이 곤란하다는 이형봉강의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것은?	1에 나타낸 이형봉강은 단위길이당 중량이 커서 취급이 곤란하다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Swellex 볼트나 튜브형 강관 록볼트와 같은 중공형 록볼트가 개발되기도 하였지만, 이 경우 록볼트와 암반 표면이 직접 접촉하기 때문에 염해 환경에서의 부식 가능성을 배제하지 않을 수 없다.

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