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문제 정의
- 본 시공사례는 시공 중 발생한 터널 붕락의 영향으로 이완된 터널 주변지반을 개량하기 위하여 자기치유 그라우트를 적용한 사례이다. “00~00 국도건설 공사” 중 00터널은 편도 2차선 도로터널이며, NATM공법으로 터널공사가 수행되었다.
제안 방법
- 00터널에 대한 붕락부 보강대책은 한국 터널지하공간 학회에서 실시한 “붕락부 원인분석 및 복구대책”과 “00터널 붕락부 보강설계”를 통하여 보강대책을 수립하였다.
- 1. 그라우팅 시공을 위한 천공작업 시 천공 기록지를 작성하며, 터널 주변지반 지층 분포현황 기록 및 관리를 통한 주변지반 풍화대 확인 및 관리기준 설정.
- 2. 수립된 보강공사 시공 전 인접지역에서 그라우팅 시험주입 및 지반개량 특성 확인시험을 실시하여 그라우팅 지반개량 효과확인.
- 3. 붕괴 막장면에서 지반강화 그라우팅 시공 전과 후에 대한 수압시험을 실시하여 그라우트의 주입확인 및 주입관리를 위한 주입압력 설정.
- 따라서 그라우팅 시공에 의한 터널 주변지반 강도증진이 터널 안정성 확보에 매우 중요한 요소인 것으로 판단하였으며, 다음과 같이 4가지의 별도 그라우팅 품질관리 계획을 수립하여 시공 중 안정성을 확보하였다.
- 수압시험 결과에 의하면 그라우팅 시공 전 수압시험에 서는 한계압력은 5kg/㎠을 초과하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 한계압력을 토대로 낙반부에 대한 지반강화 그라우팅 시공 중 그라우트 주입압력을 7kg/㎠이하로 관리하도록 하여 시공 중 설계에 적용된 주입량을 과도하게 초과하지 않도록 관리하였다.
- 또한 굴착 중 안정성 및 공기단축을 도모하기 위하여 일반 강관다단 그라우팅에 사용되는 그라우트(시멘트 밀크 및 L.W그라우팅)와 자기치유 그라우트의 시간경과에 따른 강도변화를 확인하여 그라우팅 시공 완료 6시간 경과 후 후속공정을 진행할 수 있도록 터널 시공공정 관리를 실시하여 그라우트 양생에 의한 대기시간 단축으로 공기단축을 도모하였다.
- 또한 기존 주입재료와 비교하여 자기치유 그라우트의 조기강도가 발현되는 특성을 이용하여 현장 검증 후 주입 작업 6시간 이후에 후속공정인 굴착작업을 수행하였다. 이를 통하여 터널 굴착보조공법의 주입재료로 자기치유 그라우트를 적용하면 NATM 터널의 공기를 단축할 수 있으며, 동시에 터널의 안정성도 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 보강대책으로 터널 붕락에 의하여 발생된 낙반부의 지반특성을 개량하기 위하여 지반강화 그라우팅을 계획하였으며, 지반이완에 의한 과다변위 구간 및 지반 이완부에 대하여 굴착 중 안정성을 확보하기 위하여 소구경 및 대구경 강관 그라우팅과 각부 및 측벽보강 그라우팅을 계획하였다. 그리고 그라우팅 주입재료는 자기치유 그라우트가 사용되었다.
- 0kg/㎠씩 수압을 증감시켜가며 총 9단계의 수압을 가압하였다. 수압시험은 지반강화 그라우팅 시공 전과 후에 실시하였으며, 시험결과를 통하여 그라우팅 시공관리 기준 및 그라우트 주입성을 판단하였다.
- 수압시험은 최대 수압 10.0kg/㎠으로 하였으며, 각 단계별로 2.0kg/㎠씩 수압을 증감시켜가며 총 9단계의 수압을 가압하였다. 수압시험은 지반강화 그라우팅 시공 전과 후에 실시하였으며, 시험결과를 통하여 그라우팅 시공관리 기준 및 그라우트 주입성을 판단하였다.
대상 데이터
- 보강대책으로 터널 붕락에 의하여 발생된 낙반부의 지반특성을 개량하기 위하여 지반강화 그라우팅을 계획하였으며, 지반이완에 의한 과다변위 구간 및 지반 이완부에 대하여 굴착 중 안정성을 확보하기 위하여 소구경 및 대구경 강관 그라우팅과 각부 및 측벽보강 그라우팅을 계획하였다. 그리고 그라우팅 주입재료는 자기치유 그라우트가 사용되었다.
성능/효과
- 1. 자기치유 그라우트는 미세결정화제를 포함하고 있기 때문에 경화 후 경화체와 지반 사이 또는 경화체 내부의 미세균열에 미세결정이 형성되어 시간경과에 따라 차수성 및 지반개량 성능이 증가된다.
- 2. 자기치유 그라우트는 2가 금속 급결재에 의한 결합력이 증대되어 초기에 고강도(1일 이내에 28일 강도의 60%이상 발현)가 발현된다.
- 3. 자기치유 그라우트는 규산소다계 용액과 2가 금속 급결재의 반응에 의한 겔화 진행과 더불어 추가로 시멘트의 수화반응에 의한 경화가 진행되기 때문에 겔화된 규산소다에서 겔 형태가 소실되거나 강알칼리이온이 용탈되는 문제가 없다.
- 4. 자기치유 그라우트는 결합수 온도 의존성이 낮은 2가 금속 급결재 사용에 의하여 저온 작업수에서도 겔타임이 형성되며, 별도의 작업수 히팅장비 가동 없이도 동절기에도 작업성이 확보된다.
- 5. 자기치유 그라우트에 포함된 팽윤제는 겔형성 후에도 수축현상을 최소화하여 지속적인 차수성능 및 지반개량 성능이 유지된다.
- 그리고 지반강화 그라우팅 시공 후 수압시험에서는 한계압력이 10kg/㎠ 이상으로 증가된 것으로 나타났다. 따라서 터널 주변지반에 그라우트의 침투가 적절하게 수행되어 붕락에 의하여 이완된 지반이 개량되었음을 확인할 수 있었다.
- 그리고 지반강화 그라우팅 시공 후 수압시험에서는 한계압력이 10kg/㎠ 이상으로 증가된 것으로 나타났다. 따라서 터널 주변지반에 그라우트의 침투가 적절하게 수행되어 붕락에 의하여 이완된 지반이 개량되었음을 확인할 수 있었다.
- 그림 1과 2에서 나타나듯이 자기 치유 그라우트 경화물의 조기 강도가 비교 주입공법의 경화물과 비교하여 월등히 우수한 것으로 나타났다. 또한 투수시험결과(그림 3)에서도 자기치유 그라우트 경화물에서 발생한 미세결정이 균열부에 생성되어 투수성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 붕락구간 및 인접구간에 대한 막장면 관찰결과 및 현장 조사 결과에 의하면 막장면에서 관찰된 지층은 풍화대가 매우 발달한 지층으로 풍화토～풍화암이 혼재되어 나타났다. 절리면 사이에는 점토층이 충진되어 있으며, 터널 내부에서 발생하는 용수가 많은 것으로 조사되었다.
- 붕락이 발생한 터널 인접지반의 지반특성을 파악하기 위하여 시추조사를 수행한 결과에 의하면 터널 붕락에 의하여 터널 천단으로부터 14m 위치에 공동이 약 5.8m 두께로 존재하고 있는 것으로 나타났다. 수평시추조사 결과에 의하면 터널 주변지반은 풍화대(토사, 풍화암 및 파쇄 대)가 존재하는 것으로 조사되었다.
- 수압시험 결과에 의하면 그라우팅 시공 전 수압시험에 서는 한계압력은 5kg/㎠을 초과하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 한계압력을 토대로 낙반부에 대한 지반강화 그라우팅 시공 중 그라우트 주입압력을 7kg/㎠이하로 관리하도록 하여 시공 중 설계에 적용된 주입량을 과도하게 초과하지 않도록 관리하였다.
- 수직시추조사에도 붕락에 의한 낙반구간에 주입재가 존재하는 것으로 나타났으며, 자기치유 그라우트의 미세 결정 생성물이 절리면 사이에 생성된 것을 확인할 수 있었다.
- 8m 두께로 존재하고 있는 것으로 나타났다. 수평시추조사 결과에 의하면 터널 주변지반은 풍화대(토사, 풍화암 및 파쇄 대)가 존재하는 것으로 조사되었다.
- 실내시험 및 현장시공을 통하여 자기치유 그라우트가 가지고 있는 주요특성을 확인할 수 있었으며, 현장 시공 후 그라우팅 효과를 확인하기 위하여 실시한 시추조사결과에서도 그라우트가 침투된 주변지반에 미세결정 생성물이 관찰되어 타 주입재료와 비교하여 지반개량효과가 우수한 것을 알 수 있었다.
- 또한 기존 주입재료와 비교하여 자기치유 그라우트의 조기강도가 발현되는 특성을 이용하여 현장 검증 후 주입 작업 6시간 이후에 후속공정인 굴착작업을 수행하였다. 이를 통하여 터널 굴착보조공법의 주입재료로 자기치유 그라우트를 적용하면 NATM 터널의 공기를 단축할 수 있으며, 동시에 터널의 안정성도 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
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