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문제 정의
- 폴리머를 기반으로 하는 뿜칠 방수 멤브레인은 터널 구조에서 수행되는 구조 해석과는 별개로 수분 이동이 검토되어야 하는 어려움이 있으나 사용되는 재료가 일반적으로 사용되는 구조재료가 아니고 수분 포화 상태에 따라 장기 물성을 고려해야 하기 때문에 반드시 고려되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구는 방수 멤브레인이 시공된 복합 구조에서 발생할 수 있는 수분 이동과 모세관 흡수로 인해 변화하는 터널 라이닝의 수분 변화를 수치해석 방법으로 검토하였으며 연구에서 고려한 해석 방법은 터널 라이닝에서 수분에 의해 발생할 수 있는 동결 문제나 간극 수압 문제를 검토하기 위한 기초 자료가 될 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 뿜칠 방수 멤브레인이 시공된 터널 라이닝 구조의 수분이동 해석을 수행하였으며 다음과 같은 주요 결론들을 도출하였다.
가설 설정
- Holter and Geving(2016)은 터널 라이닝에 대한 현장 실측을 통해 현장의 DCS(degree of capillary saturation) 가 100%에 가깝다고 보고한 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 기반암의 상대습도를 100%로 가정하고 경계조건으로 적용하였으며 물과 직접적인 접촉이 가능한 것으로 가정하였다. 해석에서 물과 직접적인 접촉을 가정할 경우, 기반암 경계조건의 모세관 흡수 계수(Dws)는 Dww로 대체된다.
- 일반적으로 Dww는 Dws보다 작은 것으로 알려져 있는데(Holter, 2016), 본 연구에 가정한 기반암의 경계조건으로 인해 해석에서 Dws는 크게 고려되지 않는다. 따라서, 상대습도 80% 이하에서 Dws는 0으로 가정하였다.
- 해석에 사용된 뿜칠 방수 멤브레인의 두께(t)는 3 mm로 가정하였으며 1차 숏크리트의 두께는 200 mm, 2차 숏크리트의 두께는 60 mm로 가정하였다. 본 연구에서 가정한 터널단면은 기존 문헌(Holter, 2015; Holter, 2016; Holter and Geving, 2016)에서 실측한 현장 조건을 고려하여 작성되었다.
- 본 연구에서는 문헌에서 제시한 터널 내부의 평균온도는 동일하게 적용하였으며 연중 편차는 문헌 값의 절반인 3.75 °C를 경계조건으로 적용하여 내부온도 편차가 완화된 터널 조건으로 가정하였다.
- 해석에 사용된 재료의 물성은 Table 1과 같다. 재료의 물성은 현장 계측과 실내실험을 수행한 기존 문헌 (SINTEF, 2011; Gomes, 2005; Holter et al., 2013; Holter, 2015; Holter, 2016; Holter and Geiving, 2016)을 참고 하여 가정하였다. 해석에 입력되는 재료별 증기 확산 저항 계수(vapor diffusion resistance factor)는 재료별로 가정한 증기 투수계를 통해 산정하였으며 Schirmer 의 간편식(WTA 6-2-0, 2004; Slanina and Šilarová,2009)을 사용하였다.
- 초기 조건은 상대습도 95%에 해당하는 수분 함유량으로 숏크리트와 뿜칠 방수 멤브레인에서 각각 194, 145 kg/m3을 가정하였으며 초기온도는 9.5 °C로 설정하였다.
- 기반암으로부터의 수분 이동을 1차원 흐름으로 유도하기 위하여 해석 모델의 상하부는 무한 경계 조건으로 고려하였다. 터널 내부 조건에 해당하는 우측면은 연중 온도와 상대습도를 가정하여 적용하였다. 해석에 사용된 직사각형 격자의 수는 10,816개 이고 해석은 1시간 단위로 총 5년 동안 모사되었다.
- 그림에서 좌측 기반암에서부터 1차 숏크리트가 타설되고 이후 뿜칠 방수 멤브레인이 시공되며 마지막으로 2차로 숏크리트가 타설된 모양으로 단면을 구성하였다. 해석에 사용된 뿜칠 방수 멤브레인의 두께(t)는 3 mm로 가정하였으며 1차 숏크리트의 두께는 200 mm, 2차 숏크리트의 두께는 60 mm로 가정하였다. 본 연구에서 가정한 터널단면은 기존 문헌(Holter, 2015; Holter, 2016; Holter and Geving, 2016)에서 실측한 현장 조건을 고려하여 작성되었다.
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