[논문]해수의 영향에 따른 이수식 TBM의 슬러리 관리를 위한 기초적 연구

김대영; 이재원; 정재훈; 강한별; 지성현

doi:10.9711/ktaj.2017.19.3.463

해수의 영향에 따른 이수식 TBM의 슬러리 관리를 위한 기초적 연구
A fundamental study of slurry management for slurry shield TBM by sea water influence 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.19 no.3, 2017년, pp.463 - 473

김대영 (현대건설 연구개발본부) , 이재원 (현대건설 연구개발본부) , 정재훈 (현대건설 연구개발본부) , 강한별 (현대건설 연구개발본부) , 지성현 (현대건설 연구개발본부)

초록
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벤토나이트는 물과 접촉하면 팽창하고 점성을 발휘하는 성질이 있어 일반적으로 차수가 필요한 토목공사에 많이 활용되고 있다. 이수식 TBM에서는 이와 같은 성질을 활용하여 가압된 슬러리로 불투수성 막을 형성하고 굴착벽면의 붕괴를 방지하는 동시에 굴착된 버력을 운송하며 굴착을 수행한다. 하지만 벤토나이트는 해수와 접촉할 경우 팽창성이 저하되어 그 성질을 발휘하지 못하는 문제가 있다. 이는 해수 조건에서 이수식 TBM으로 터널을 굴착할 시 지하수 유입 증가로 인한 굴착 안정성 및 버력 배출에 문제를 초래할 수 있다. 본 연구에서는 이수식 TBM으로 터널을 굴착 시 해수의 유입으로 인한 슬러리의 상태변화를 살펴보고 이에 대응하기 위한 슬러리 관리방안을 제시 하였다. 이를 위해 현장에서 적용된 슬러리 품질관리 기준을 바탕으로 실내 시험을 수행하였으며, 해수의 영향이 있는 현장에 적용 할 수 있는 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bentonite swells when it comes into contact with water and makes it a viscous fluid. Thus it is widely used in civil engineering works for waterproofing. Utilizing the properties of bentonite, the slurry shield TBM supports excavated face with pressurized slurry as well as transporting excavated muck. When bentonite is in contact with seawater, due to the change of double layer thickness, its expandability and viscosity are lowered. This may cause problems for excavation stability and muck discharge due to the increase of sea water inflow when Slurry TBM is used under sea water conditions. In this study, the change of slurry condition caused by the inflow of sea water during tunnel excavation with Slurry TBM was investigated and a slurry management guideline was proposed. For this purpose, a laboratory test was carried out based on the slurry management criterions applied in the field, and a method applicable to the field where sea water is affected has been proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 시험에서는 벤토나이트의 종류에 관계없이 해수의 영향으로 인해 모든 관리 항목의 결과값이 기준에 미달되었으며 특히, Ca-벤토나이트는 해수뿐만 아니라 담수에서도 기준을 만족하지 못하므로 TBM에 사용되는 재료로는 적합하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 Na-벤토나이트를 활용하여 해수의 영향에 따른 슬러리의 상태 평가 시험을 수행하였다.
Jeong (2011)은 벤토나이트의 최대 자유팽창이 염분농도(0∼30 g/L)에 따라 두 배 이상의 차이가 발생함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 벤토나이트 종류 및 해수의 비율에 따른 슬러리 상태의 변화 양상을 살펴 보았으며 실내시험을 통해 첨가제의 적정 투입량을 제시하였다.
그러나, 해수의 영향에 따른 슬러리의 명확한 관리 기준이 제시되어 있지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 일반적으로 슬러리의 관리를 위해 필요한 영향 인자들을 파악하고 이를 기준으로 해수에 의한 슬러리의 상태 변화를 검토하였다.
벤토나이트의 종류에 따른 해수에서의 슬러리 상태 변화를 파악하기 위해 Na-벤토나이트와 Ca-벤토나이트가 해수 또는 담수에서 슬러리의 적절한 특성이 나타내는지 확인하였다. 각각의 배합수는 2L로 고정하였으며, 담수 100% 용액과 해수 50% 혼합 용액을 준비하였다.
본 연구에서는 해저 TBM 터널에서 해수의 유입에 따른 슬러리의 관리방안을 검토하기 위하여 실내시험을 수행하였다. 이를 통해 슬러리에 포함된 해수의 비율만으로 상태를 확인할 수 있는 기준을 제시하였으며 해수의 비율에 따른 슬러리 관리 방안을 살펴 보았다.
본 연구에서는 해저 TBM 터널에서 해수의 유입에 따른 슬러리의 관리방안을 검토하기 위하여 실내시험을 수행하였다. 이를 통해 슬러리에 포함된 해수의 비율만으로 상태를 확인할 수 있는 기준을 제시하였으며 해수의 비율에 따른 슬러리 관리 방안을 살펴 보았다. 또한 해수의 영향이 있는 현장에서 쉽게 사용할 수 있도록 슬러리에 포함된 염분농도에 따른 상태변화 시험을 수행하고 그 기준을 제시할 예정이다.
해수의 비율에 따른 Na-벤토나이트 슬러리의 상태 변화를 검토하기 위하여 관련 시험을 수행하였다. 시험에 사용된 시료는 담수 및 해수, Na-벤토나이트를 사용하였으며 해수의 비율을 조절하여 준비하였다.

제안 방법

각각의 배합수는 2L로 고정하였으며, 담수 100% 용액과 해수 50% 혼합 용액을 준비하였다. Na-벤토나이트와 Ca-벤토나이트를 담수 100%용액과 해수 50% 혼합 용액에 각각 100 g씩 투입하여 시료를 제작한 후 슬러리의 상태 변화를 검토하였다(Table 2).
기존 도심지의 TBM 프로젝트에서 실제로 적용하였던 슬러리의 상태 평가 기준 및 시험 방법을 채택하여 이를 기준으로 해수에 의한 슬러리의 상태 변화를 검토하였다. 일반적인 슬러리의 품질관리 항목은 밀도, 점도, 필터 케이크 두께, 침투수량, 항복점, pH, 겔강도 등 이 있다.
2는 시험을 하기 위해 조성된 시료이며, Ca-벤토나이트는 해수(시료1-4)뿐만 아니라 담수(시료1-2)에서도 수화되지 못하고 응집되어 침전된 것을 확인할 수 있다. 담수에 Ca-벤토나이트를 혼합한 시료는 시간이 지남에 따라 현탁액과 같은 형상을 유지하였으나 Na-벤토나이트와 같은 점성을 발현하지는 못하는 것을 관측 하였다.
일반적으로 현장에서는 Marsh Funnel 장비를 이용하여 1 L의 유체가 Cone을 통과하는 시간으로 점도(sec/lt)를 측정한다. 또한, Filter press 장비를 이용하여 슬러리의 상태에 따른 필터케이크 형성 능력과 그에 따른 필터케이크의 차수력을 평가할 수 있다. 슬러리가 100 psi 압력에서 7분 30초 동안 여과되는 수량(ml)과 챔버 하부에 생성된 필터 케이크의 두께(mm)를 측정한다.
또한, Filter press 장비를 이용하여 슬러리의 상태에 따른 필터케이크 형성 능력과 그에 따른 필터케이크의 차수력을 평가할 수 있다. 슬러리가 100 psi 압력에서 7분 30초 동안 여과되는 수량(ml)과 챔버 하부에 생성된 필터 케이크의 두께(mm)를 측정한다.
해수의 비율이 20% 이상일 경우, 벤토나이트를 추가로 첨가하는 방법뿐만 아니라 폴리머, 분산제, 염수 안정제와 같은 첨가제를 투입하여 슬러리를 관리하는 방법이 있다. 해수의 비율에 따른 첨가제의 적정 투입량을 결정하기 위하여 Table 5와 같이 이수식 TBM현장에서 사용되는 폴리머를 활용한 시험을 수행 하였다.
해수의 비율은 30%, 50%, 70%로 적용하였으며, Fig. 5와 Fig. 6을 통해 이수식 TBM의 버력운송과 막장안정에 영향을 미치는 주요한 요소인 점도와 침투수량의 변화 양상을 나타내었다.

대상 데이터

현장에서는 순환하는 슬러리의 해수 비율을 주기적으로 측정함으로써 필요시 벤토나이트 또는 첨가제를 투입하여 슬러리를 관리할 수 있다. 본 연구에서는 두가지 첨가제(A polymer, B polymer)를 사용하여 시험을 수행하다. 그 결과, 해수의 비율(30∼70%)에 따라 각각 0.
시험에 사용된 A 폴리머는 식물성 고분자 전해질로 슬러리의 점도 증가 및 안정제 역할을 하며 주로 해안지역의 공사에 사용되는 첨가제이고 B 폴리머는 셀룰로오스계 수용성고분자로 슬러리의 소성유동성과 겔강도를 증진시키는 역할을 한다.
해수의 비율에 따른 Na-벤토나이트 슬러리의 상태 변화를 검토하기 위하여 관련 시험을 수행하였다. 시험에 사용된 시료는 담수 및 해수, Na-벤토나이트를 사용하였으며 해수의 비율을 조절하여 준비하였다. 제작된 시료로 3∼4회 반복 시험한 결과는 Table 4와 같으며, 본 시험을 통해 해수 비율 증가에 따른 슬러리의 변화 경향과 효율적인 슬러리 관리를 위한 해수의 허용 비율을 확인하였다.

데이터처리

제작된 시료로 3∼4회 반복 시험한 결과는 Table 4와 같으며, 본 시험을 통해 해수 비율 증가에 따른 슬러리의 변화 경향과 효율적인 슬러리 관리를 위한 해수의 허용 비율을 확인하였다.

성능/효과

2. 실내시험을 수행해본 결과, 해수의 비율이 증가됨에 따라 점도, 항복점, 겔강도가 저하되고 침투수량이 상당히 증가된 것을 확인하였다. 이로부터, 이수식 TBM에서 순환하고 있는 슬러리는 해수의 영향으로 버력 배출능력 및 해수 유입 차단력이 저하 되는 것을 알 수 있다.
3. 해수의 비율에 따른 슬러리의 상태 변화 양상을 검토해본 결과, 해수의 비율이 20%를 초과하면 점도, 항복점, 겔강도, 침투수량에서 그 기준을 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 이로부터 현장에서 해수의 비율 또는 염분 측정만으로 슬러리의 상태를 유지 또는 관리하는 정량적인 기준이 될 수 있다.
그 결과, 해수의 비율(30∼70%)에 따라 각각 0.05∼0.3%, 0.2∼0.4%로 투입하면 슬러리의 관리기준을 만족하는 것을 확인하였다.
본 시험에서는 벤토나이트의 종류에 관계없이 해수의 영향으로 인해 모든 관리 항목의 결과값이 기준에 미달되었으며 특히, Ca-벤토나이트는 해수뿐만 아니라 담수에서도 기준을 만족하지 못하므로 TBM에 사용되는 재료로는 적합하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 Na-벤토나이트를 활용하여 해수의 영향에 따른 슬러리의 상태 평가 시험을 수행하였다.
시료1-1과 시료1-3을 비교해보면, 해수에 의한 pH변화는 발생하지 않았으나 점도, 침투수량, 필터케이크, 항복점, 겔강도에서 상당한 차이를 나타내었다. 해수의 영향으로 인해 Marsh Funnel 점도에서 그 값이 46초에서 34초로 감소되었으며 항복점은 1 lbs/100ft²로 측정되었다.
시험결과, 슬러리에 해수의 비율이 늘어남에 따라 점도, 항복점, 겔강도는 저하되며 침투수량은 상당히 증가되는 것을 확인할 수 있다. 특히 해수의 비율이 20% 이상이 되는 시점부터 슬러리의 관리 기준을 만족하지 못하는 것을 확인하였으며 이는 순환하고 있는 슬러리 중 해수의 비율이 슬러리의 상태를 유지 또는 관리하는 정량적인 기준이 될 수 있다고 판단된다.
4%로 투입하면 슬러리의 관리기준을 만족하는 것을 확인하였다. 이에 따라, TBM 막장의 안정성을 확보하고 배니관의 마모를 줄여 공사비용 증가 및 다운타임 발생을 방지할 수 있어 TBM 굴착 효율을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
시험결과, 슬러리에 해수의 비율이 늘어남에 따라 점도, 항복점, 겔강도는 저하되며 침투수량은 상당히 증가되는 것을 확인할 수 있다. 특히 해수의 비율이 20% 이상이 되는 시점부터 슬러리의 관리 기준을 만족하지 못하는 것을 확인하였으며 이는 순환하고 있는 슬러리 중 해수의 비율이 슬러리의 상태를 유지 또는 관리하는 정량적인 기준이 될 수 있다고 판단된다.
시료1-1과 시료1-3을 비교해보면, 해수에 의한 pH변화는 발생하지 않았으나 점도, 침투수량, 필터케이크, 항복점, 겔강도에서 상당한 차이를 나타내었다. 해수의 영향으로 인해 Marsh Funnel 점도에서 그 값이 46초에서 34초로 감소되었으며 항복점은 1 lbs/100ft²로 측정되었다. 또한 겔강도는 0 lbs/100ft²으로 측정되어 유체의 소성적 특성이 염분의 영향에 의해 소멸된 것으로 판단된다.

후속연구

이수식 TBM 현장에서는 송니량과 배니량을 측정할 수 있으며, 이를 활용하여 순환하고 있는 슬러리 순환량 대비 지하수(해수)의 유입량을 계산하기 용이하다. 따라서, 본 연구에서는 해수의 비율에 따른 슬러리의 상태변화를 검토하였으며 추후 염도를 기준으로 시험을 수행할 예정이다.
이를 통해 슬러리에 포함된 해수의 비율만으로 상태를 확인할 수 있는 기준을 제시하였으며 해수의 비율에 따른 슬러리 관리 방안을 살펴 보았다. 또한 해수의 영향이 있는 현장에서 쉽게 사용할 수 있도록 슬러리에 포함된 염분농도에 따른 상태변화 시험을 수행하고 그 기준을 제시할 예정이다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	틱소트로피란 무엇인가?	벤토나이트가 물에 분산된 현탁액은 높은 점도를 나타내며, 물이나 기름과는 다르게 유동 속도가 변하면 현탁액의 점도도 함께 변하는 성질이 있다(낮은 유동속도에서는 높은 점도를 나타내며, 높은 유동 속도에서는 낮은 점도를 나타낸다). 이러한 성질을 틱소트로피(Thixotropy)이라고 하며 이를 활용해 시추 또는 지반 굴착 시에 슬러리가 주로 사용된다.
	쉴드 TBM 공법을 막장압력을 대응하는 방법에 따라 구분하면?	쉴드 TBM 공법은 막장압력을 대응하는 방법에 따라 토압식(EPB, Earth Pressure Balanced) TBM과 이수식(slurry shield)TBM으로 나뉜다(Park et al., 2016).
	벤토나이트는 터널 시공시 무슨 역할을 하는가?	, 2002). 이는 지반 굴착 시 벽면에 불투수성의 막을 형성하여 막장의 붕괴를 방지하는 역할을 한다. 하지만, 벤토나이트가 해수의 염분과 접촉하였을 때는 팽창성 저하 및 점도 상실 등으로 인해 이러한 특성을 발휘하지 못하는 문제가 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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