터널 굴착에 따른 초기 안정성 확보를 위해 1차 지보재인 숏크리트와 록볼트를 가장 적절한 시기에 터널 굴착면 주면으로 타설하여야 한다. 이러한 지보재의 역할은 장 단기적인 터널 안정성에 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 여기서 록볼트는 터널 굴착시 응력이완에 따라 발생되는 외압을 축력으로 받아들여 터널 굴착면의 숏크리트에 전달하여 전체적인 안정성을 도모하는 중요한 지보재이다. 현재까지 록볼트의 재료는 현장 수급이 유리한 이형강봉을 많이 이용하였으나 최근들어 불확실한 품질의 중국산 자재의 시장진입과 록볼트 주면 모르타르 충전시 흘러내림에 의한 밀실한 충전불량, 용수에 의한 부식 등 다양한 문제점이 나타나고 있다. 특히, 현재의 설계기준상 이형강봉에 대한 기계적 성질의 기준은 있으나 그 외 섬유보강 플라스틱(FRP) 등이 사용될 수 있으나 명확한 기준은 제시되지 않고 있다. 그래서 새로운 소재로 개발되더라도 실제 현장 적용에 있어서는 해결해야 할 부분이 많다. 따라서, 본 연구에서는 상기의 기존 록볼트가 지니고 있는 여러 문제점을 해결, 개선하고자 Autobeam 재료를 이용한 고강도 강관 록볼트(Samrt Pipe-록볼트, 이하 SP-록볼트)를 개발한 내용을 다루고 있다. 개발된 록볼트의 성능평가를 위해 현장시험을 수행하고, 기존 모르타르 충전을 개선할 수 있는 충전재를 개발하여 록볼트의 성능을 더욱 향상하고자 하였다. 또한, 실무현장의 적용성 확보를 위해 설계 및 시공기준에 대한 연구를 수행하였다.
터널 굴착에 따른 초기 안정성 확보를 위해 1차 지보재인 숏크리트와 록볼트를 가장 적절한 시기에 터널 굴착면 주면으로 타설하여야 한다. 이러한 지보재의 역할은 장 단기적인 터널 안정성에 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 여기서 록볼트는 터널 굴착시 응력이완에 따라 발생되는 외압을 축력으로 받아들여 터널 굴착면의 숏크리트에 전달하여 전체적인 안정성을 도모하는 중요한 지보재이다. 현재까지 록볼트의 재료는 현장 수급이 유리한 이형강봉을 많이 이용하였으나 최근들어 불확실한 품질의 중국산 자재의 시장진입과 록볼트 주면 모르타르 충전시 흘러내림에 의한 밀실한 충전불량, 용수에 의한 부식 등 다양한 문제점이 나타나고 있다. 특히, 현재의 설계기준상 이형강봉에 대한 기계적 성질의 기준은 있으나 그 외 섬유보강 플라스틱(FRP) 등이 사용될 수 있으나 명확한 기준은 제시되지 않고 있다. 그래서 새로운 소재로 개발되더라도 실제 현장 적용에 있어서는 해결해야 할 부분이 많다. 따라서, 본 연구에서는 상기의 기존 록볼트가 지니고 있는 여러 문제점을 해결, 개선하고자 Autobeam 재료를 이용한 고강도 강관 록볼트(Samrt Pipe-록볼트, 이하 SP-록볼트)를 개발한 내용을 다루고 있다. 개발된 록볼트의 성능평가를 위해 현장시험을 수행하고, 기존 모르타르 충전을 개선할 수 있는 충전재를 개발하여 록볼트의 성능을 더욱 향상하고자 하였다. 또한, 실무현장의 적용성 확보를 위해 설계 및 시공기준에 대한 연구를 수행하였다.
For initial stability of the tunnel, the primary support, Shotcrete and rockbolt shall be placed in the most appropriate time. This is because the role of such support plays a vital role in long-term and short-term tunnel stability. In this study, the rock bolt is an important supporting system that...
For initial stability of the tunnel, the primary support, Shotcrete and rockbolt shall be placed in the most appropriate time. This is because the role of such support plays a vital role in long-term and short-term tunnel stability. In this study, the rock bolt is an important supporting system that receives the external pressure generated by the stress relaxation during tunnel excavation as axial force and transmits it to the shotcrete on the tunnel excavation surface. Until now, most of the materials of rock bolts have been used in the field, but there have been many problems such as uncertain quality of Chinese materials entering the market, poor packing due to falling down of rock bolts when filled with mortar, and corrosion due to water. Therefore, in this study, we have developed a high strength steel pipe rock bolt using Autobeam material to solve and improve various problems of existing rock bolts. In order to evaluate the performance of the developed bolt, field tests were carried out and the existing mortar filler in order to improve the performance of the rock bolt, the design and construction criteria were studied and the results were included in this paper.
For initial stability of the tunnel, the primary support, Shotcrete and rockbolt shall be placed in the most appropriate time. This is because the role of such support plays a vital role in long-term and short-term tunnel stability. In this study, the rock bolt is an important supporting system that receives the external pressure generated by the stress relaxation during tunnel excavation as axial force and transmits it to the shotcrete on the tunnel excavation surface. Until now, most of the materials of rock bolts have been used in the field, but there have been many problems such as uncertain quality of Chinese materials entering the market, poor packing due to falling down of rock bolts when filled with mortar, and corrosion due to water. Therefore, in this study, we have developed a high strength steel pipe rock bolt using Autobeam material to solve and improve various problems of existing rock bolts. In order to evaluate the performance of the developed bolt, field tests were carried out and the existing mortar filler in order to improve the performance of the rock bolt, the design and construction criteria were studied and the results were included in this paper.
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문제 정의
품질불량의 이형봉강 자재, 모르타르 채움불량 및 록볼트 정착불량에 대한 부분은 현재 록볼트 시공 시 나타나는 중대한 문제이며 터널 거동측면을 고려할 때 반드시 해결되어야 하는 문제이다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하고자 자동차 소재로 알려진 고강도 Autobeam을 소재로 한 강관형 록볼트(SP-Rockbolt)와 특수 혼화재가 첨가된 모르타르로 원지반 일체화를 도모하고, 현장 적용을 위한 실내 및 현장시험과 설계기준에 대한 연구내용을 수록하였다.
본 연구에서 개발된 SP-록볼트의 현장 적용성을 검토하기 위하여 국내 H현장에서 록볼트의 극한인발시험을 실시하였다. Table 12는 현장에서 실시한 시험조건의 세부사항을 보여주고 있다.
본 연구에서는 터널의 지보재인 록볼트에 대해 기존 이형강봉과 모르타르를 이용한 록볼트 재료를 고강도 강관을 이용한 록볼트 재료와 용수상태에서 주입방식 개선 및 부착력이 향상된 충전재인 Chemi-Fix에 대한 실내 및 현장실험 연구결과를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
이에 본 논문에서는 터널 굴착 시 용수가 발생하는 경우에 대처한 록볼트 자재의 부식방지 및 접착율 향상을 위해 시멘트 모르타르 충전재를 개발하고자 연구한 내용과 최근 저가의 중국산 철근 등의 유입으로 품질이 불량한 록볼트에 대응하고자 경제성 있는 고강도 국산 록볼트 자재에 대해 연구개발한 내용을 다루었다.
또한, 현재 국내에서 사용되는 충전재의 경우 용수 지역에서는 충전재의 성능 저하로 록볼트의 설계 인발력을 확보하기 어려우며, 조기강도가 부족하여 터널 천단부 붕락사고 등의 안정성 문제와 설계 시 필요한 소요 인발강도를 확보하기 위해 긴 양생시간이 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 이형봉강 록볼트에 비해 단위길이 당 중량이 작아 시공성이 우수하고, Top-Down방식의 강관 내부주입으로 인한 완전 충전이 가능한 고강도 강관 타입의 록볼트인 SP-록볼트를 개발하였으며, 용수가 없는 일반구간에서는 조기 강도가 우수하여 초기 안정성을 확보할 수 있고 용수가 발생되는 구간에서는 지하수의 유입에도 충전재가 용수와 희석되어 용탈현상 등이 발생되지 않는 수중 불분리형 충전재를 개발하였다.
제안 방법
Chemi-Fix의 특성은 Table 11과 같으며, Chemi-Fix(일반형)의 경우에는 유동성과 초기 압축강도에, Chemi-Fix(수중 불분리형)의 경우에는 용탈, 희석 등에 영향이 없도록 기능을 향상시켜 지반조건에 맞도록 개발하였다.
Test대상 록볼트는 지압판에서 50 cm 이상 돌출되도록 시공하였고, 재하시험 위치는 현장 내 대표되는 구간에 대해 적절한 장소를 선택하여 실시하였으며, 그라우팅 후 최소 7일 이상 양생한 후 Test를 실시하였다. Test용 록볼트는 Fig.
하중이 지속되는 동안 변위는 1, 2, 3, 4, 5, 10분마다 기록하였으며, 각 하중단계 중 1~10분마다 측정된 변위량이 2 mm 미만이면 다음 단계로 넘어가며 측정하였다. 또한, 설계하중의 50% 재하 시 변위량 2 mm가 10분 이내 발생하는 경우에는 추가로 50분간 더 지속하였고, 이 때에는 15, 20, 25, 30, 45, 60분의 시간 간격으로 측정하며, 65분 측정 후에는 다음 단계로 넘어가며 시험을 실시하였다. Fig.
본 연구에서 개발된 충전재인 Chemi-Fix의 성능평가를 위하여 기존 충전재인 일반 모르타르와 Chemi-Fix를 같은 조건에서 주입 및 실내 인발시험을 실시하여 이에 대한 결과를 비교 검토하였다. 길이 3m/내경 45mm의 시험강관으로 인공 천공홀을 제작하여 내부에 SP-록볼트를 삽입하고 충전재를 주입하는 방식으로 총 12개의 시험 체를 제작하였다.
길이 3m/내경 45mm의 시험강관으로 인공 천공홀을 제작하여 내부에 SP-록볼트를 삽입하고 충전재를 주입하는 방식으로 총 12개의 시험 체를 제작하였다. 용수조건의 경우 물이 흘러내림을 방지하기 위해 강관 주입구를 위로 하여 물을 주입 후 충전재를 주입하였고, 일반조건의 경우 충전재 주입 시 흘러내림을 모사하기 위해 강관 주입구를 아래로 하여 상부로 충전재를 주입하여 시험체를 제작하였다. Table 14는 시험조건을 나타내고, Fig.
하중의 증가는 1분 이내에 가해져야 하며 최대한 2분을 넘어서는 안 되는 조건으로 시험을 실시하였다. 하중이 지속되는 동안 변위는 1, 2, 3, 4, 5, 10분마다 기록하였으며, 각 하중단계 중 1~10분마다 측정된 변위량이 2 mm 미만이면 다음 단계로 넘어가며 측정하였다.
하중의 증가는 1분 이내에 가해져야 하며 최대한 2분을 넘어서는 안 되는 조건으로 시험을 실시하였다. 하중이 지속되는 동안 변위는 1, 2, 3, 4, 5, 10분마다 기록하였으며, 각 하중단계 중 1~10분마다 측정된 변위량이 2 mm 미만이면 다음 단계로 넘어가며 측정하였다. 또한, 설계하중의 50% 재하 시 변위량 2 mm가 10분 이내 발생하는 경우에는 추가로 50분간 더 지속하였고, 이 때에는 15, 20, 25, 30, 45, 60분의 시간 간격으로 측정하며, 65분 측정 후에는 다음 단계로 넘어가며 시험을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구에서 개발된 충전재인 Chemi-Fix의 성능평가를 위하여 기존 충전재인 일반 모르타르와 Chemi-Fix를 같은 조건에서 주입 및 실내 인발시험을 실시하여 이에 대한 결과를 비교 검토하였다. 길이 3m/내경 45mm의 시험강관으로 인공 천공홀을 제작하여 내부에 SP-록볼트를 삽입하고 충전재를 주입하는 방식으로 총 12개의 시험 체를 제작하였다. 용수조건의 경우 물이 흘러내림을 방지하기 위해 강관 주입구를 위로 하여 물을 주입 후 충전재를 주입하였고, 일반조건의 경우 충전재 주입 시 흘러내림을 모사하기 위해 강관 주입구를 아래로 하여 상부로 충전재를 주입하여 시험체를 제작하였다.
본 연구에서 개발한 충전재는 Chemi-Fix(일반형)과 Chemi-Fix(수중 불분리형)으로 구분된다. Chemi-Fix(일반형)은 용수가 거의 없는 일반 지반조건에 사용하는 시멘트 모르타르 충전재로서 1일 일축압축강도가 21 MPa 이상으로 조기강도가 우수하여 록볼트의 초기 안정성을 향상 시킬수 있으며, Chemi-Fix(수중 불분리형)은 용수 지역에 사용하는 시멘트 모르타르 충전재로서 재료 자체의 점성이 기존 모르타르에 비해서 월등히 우수하여 지하수 유입에도 희석되거나 씻기지 않고, 용탈현상(Leaching)도 최소화할 수 있다.
성능/효과
1. 기존 이형봉강 록볼트와 SP-록볼트에 대한 현장 인장시험결과 두 재료는 모두 설계 허용강도 이상으로 인장력이 발현되는 것으로 나타났으나 이형봉강 록볼트의 경우 발생되는 인장강도의 분산폭이 크고 일부는 소성거동을 하는 등 거동이 다양하게 나타나는 반면, SP-록볼트의 경우 일정한 강도와 탄성거동을 보여 양호한품질관리가 가능한 것으로 나타났다.
2. 충전재인 Chemi-Fix(일반형), (수중불분리형)과 기존 일반 모르타르에 대해 용수조건과 일반조건에 대한 실내 인장시험을 수행한 결과 일반 조건에서는 기존 록볼트의 거동이 소성거동을 나타내면서 상대적으로 적은 인장강도를 나타냈고, 용수 발생조건에 대해서는 발생되는 인장강도는 상호 유사하나 기존 이형봉강 록볼트 (모르타르)의 경우 일부 소성거동을 보이거나 많은 변형이 발생되어 록볼트의 거동이 소성거동으로 변화되는 것으로 나타났다.
모든 시험체에서 설계인장력 이상의 발생인장력이 나타났으며 이는 터널 지보내로써 충분한 인장저항력을 발휘하는 것으로 판단된다. 그러나 본 현장시험에서는 개발된 Chemi-Fix가 충전재로 적용하지 않은 조건으로 시험을 시행하였고, 지반조건, 동일한 충전재 조건하에서 시험한 결과이다.
한편, 일반조건의 결과에서는 Chemi-Fix(일반형)이 일반 모르타르보다 훨씬 큰 극한하중값을 나타내고 있으며, 이형봉강의 거동은 많은 변위와 함께 소성거동이 동반되고 있는 것으로 판단된다. 전체적인 결과로 볼 때 본 연구를 통해 개발된 Chemi-Fix 충전재로 주입된 SP-록볼트의 경우 그 거동특성이 일관되게 강도특성과 변형특성을 나타내고 있으나 일반 모르타르 충전재와 결합된 이형강봉 록볼트는 단순히 설계 허용강도는 만족하지만 용수조건과 일반조건에서 그 거동특성이 상이하고 충전재와 록볼트 간의 부착력이 상대적으로 적어 하중이 가해졌을 때 큰 변위를 수반하면서 소성거동이 발생되는 특징이 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 향후 모르타르와 Chemi-Fix의 몰드 시험을 통한 재령일별 강도특성을 파악하고, 염분 침투시험 등을 통해 내부식성 등에 대한 추가적인 연구를 수행하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
다만, 일반 모르타르를 사용한 #1 시험체의 경우는 극한하중 이후에도 추가적인 변위를 발생하고 있어 이형봉강 록볼트는 소성상태로 변형된 것으로 판단된다. 한편, 일반조건의 결과에서는 Chemi-Fix(일반형)이 일반 모르타르보다 훨씬 큰 극한하중값을 나타내고 있으며, 이형봉강의 거동은 많은 변위와 함께 소성거동이 동반되고 있는 것으로 판단된다. 전체적인 결과로 볼 때 본 연구를 통해 개발된 Chemi-Fix 충전재로 주입된 SP-록볼트의 경우 그 거동특성이 일관되게 강도특성과 변형특성을 나타내고 있으나 일반 모르타르 충전재와 결합된 이형강봉 록볼트는 단순히 설계 허용강도는 만족하지만 용수조건과 일반조건에서 그 거동특성이 상이하고 충전재와 록볼트 간의 부착력이 상대적으로 적어 하중이 가해졌을 때 큰 변위를 수반하면서 소성거동이 발생되는 특징이 있음을 알 수 있었다.
후속연구
3. 이러한 거동 특성으로 볼 때 기존 모르타르로 채워진 이형강봉의 경우 설계인장강도는 만족하지만 거동 특성이 탄성적이지 않아 터널의 전체적인 거동특성에 영향이 있을 것으로 판단되나 아직 객관적인 자료가 많이 부족하여 향후 추가적인 시험과 수치해석 등을 통한 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.
4. SP-록볼트는 그 동안의 고질적인 이형강봉의 품질문제, 모르타르 흘러내림에 의한 부착력 문제, 용수구간에서의 지보변형 문제와 같은 많은 문제를 개선할 수 있는 터널 록볼트로 활용이 가능할 것으로 사료되며, 특히 국내뿐 아니라 해외에서도 그 가치를 인정받을 수 있는 우리나라 고유의 록볼트 제품으로 사료되며, 향후 정착재료의 강도특성, 염분침투에 대한 내구성 시험, 수치해석을 통한 거동 특성 등에 대한 추가적인 연구를 통해 더욱 검증해야 할 것으로 사료된다.
또한, Chemi-Fix 충전재는 유동성(Flow)이 뛰어나기 때문에 주입성이 향상되고, 록볼트와의 부착성능이 우수 하여 인발 저항능력이 향상될 것으로 판단된다. Fig.
Chemi-Fix(일반형)은 용수가 거의 없는 일반 지반조건에 사용하는 시멘트 모르타르 충전재로서 1일 일축압축강도가 21 MPa 이상으로 조기강도가 우수하여 록볼트의 초기 안정성을 향상 시킬수 있으며, Chemi-Fix(수중 불분리형)은 용수 지역에 사용하는 시멘트 모르타르 충전재로서 재료 자체의 점성이 기존 모르타르에 비해서 월등히 우수하여 지하수 유입에도 희석되거나 씻기지 않고, 용탈현상(Leaching)도 최소화할 수 있다. 이는 천공홀 내부의 록볼트를 충전재가 초기의 완전 충전상태를 오랫동안 유지할 수 있어, 장기적으로도 염해나 황산염 침식 등 외부요인에 대한 저항성을 향상시켜 록볼트 자체의 부식을 최소함으로써, 터널 지보재로서의 내구성을 극대화 할 수 있을 것으로 판단된다.
전체적인 결과로 볼 때 본 연구를 통해 개발된 Chemi-Fix 충전재로 주입된 SP-록볼트의 경우 그 거동특성이 일관되게 강도특성과 변형특성을 나타내고 있으나 일반 모르타르 충전재와 결합된 이형강봉 록볼트는 단순히 설계 허용강도는 만족하지만 용수조건과 일반조건에서 그 거동특성이 상이하고 충전재와 록볼트 간의 부착력이 상대적으로 적어 하중이 가해졌을 때 큰 변위를 수반하면서 소성거동이 발생되는 특징이 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 향후 모르타르와 Chemi-Fix의 몰드 시험을 통한 재령일별 강도특성을 파악하고, 염분 침투시험 등을 통해 내부식성 등에 대한 추가적인 연구를 수행하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지보재의 역할은 무엇인가?
일반 구조물에서는 하중에 비례하여 구조물의 부재 크기를 달리 하지만 터널에서는 하중의 변화에 비하여 지보재의 변화는 너무 미미한 편이며, 원지반을 어떻게 처리하느냐에 따라 지보 방법이 달라진다. 지보재의 역할은 자신이 힘을 분담하면서 원지반을 이완시키지 않고 원지반이 원래 갖고 있는 강도를 발휘하도록 하는 것이다. 즉, 자체의 내력으로 힘을 분담하지만 더 중요한 역할은 원지반에 큰 힘을 부담시키도록 준비하고 중개하는 일이다.
록볼트는 무엇인가?
이러한 지보재의 역할은 장 단기적인 터널 안정성에 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 여기서 록볼트는 터널 굴착시 응력이완에 따라 발생되는 외압을 축력으로 받아들여 터널 굴착면의 숏크리트에 전달하여 전체적인 안정성을 도모하는 중요한 지보재이다. 현재까지 록볼트의 재료는 현장 수급이 유리한 이형강봉을 많이 이용하였으나 최근들어 불확실한 품질의 중국산 자재의 시장진입과 록볼트 주면 모르타르 충전시 흘러내림에 의한 밀실한 충전불량, 용수에 의한 부식 등 다양한 문제점이 나타나고 있다.
전면접착형 록볼트가 수동볼트라고 불리기도 하는 이유는 무엇인가?
전면접착형 록볼트는 강도가 작은 연암 이하의 지반에서 터널의 굴착에 의해 주변지반의 응력이 암석의 강도를 초과하여 넓은 영역까지 소성화되어 비교적 큰 변형이 발생되는 경우, 록볼트로 지반의 변형을 억제하고 소성 영역의 확대를 억제하기 위한 내압작용 및 아치형성을 위해 사용한다. 즉, 터널 주변지반의 변형으로 인해 하중이 록볼트에 전달되므로 하중의 주체가 지반변형이라는 측면에서 수동볼트(Passive bolt)라고도 한다. 혼합정착형 록볼트는 선단정착형 방식과 전면접착형 방식을 모두 혼용한 방식으로 록볼트 선단부 정착을 통해 초기 안정화를 도모하고 천공홀 채움을 통한 전면정착을 통해 장기적인 안정성이 필요한 지반조건에 적용한다.
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