[논문]더 가볍고 튼튼한 터널 보강 솔루션

안동욱

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안동욱 (포스코 철강솔루션 연구소 구조연구그룹)

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문제 정의

NATM 터널의 시공중 붕괴를 막기위해 설치하는 록볼트, 격자지보재는 강재를 사용하여 구조보강을 하는 대표적 사례이다. 본 기사에서는 록볼트, 격자지보재에 고강도 강재를 적용한 기술에 대해 소개하고자 한다.

제안 방법

격자지보재의 경우, 터널 현장에 시공후 구조성능평가를 하는 것이 불가능하여 지금까지는 대부분 4점 휨시험을 실시하여 성능을 평가하였다. 강관형 격자지보재의 성능을 조금 더 확실하게 판단해보고자 70type으로 봉강형과 강관형의 실물 구조시험체를 제작하여 각각의 성능을 비교해보았다. 그림 7에 실물 구조성능시험 전경을 나타내었고, 그 결과는 그림 8과 같다.
이는 탄소당량이 높을 경우 용접부의 품질이 저하되므로 이를 방지하기 위함이다. 기존 봉강형 격자지보재와 강관형 격자지보재의 성능 및 용접부 품질을 비교하고자 50type,70type, 95type 별로 각 3개씩, 총 18개의 조건에 대해 4점 휨시험을 실시하였다. 그림 5에는 4점 휨시험 전경을 그림 6에는 4점 휨시험결과를 나타냈다.
표 5와 6에는 기존 봉강형 격자지보재와 STG800 강관형 격자지보재의 제원 및 제원을 비교하였다. 봉강과 강관의 기계적 성질을 고려하여 기존 봉강과 동등이상의 부재력 확보가 가능한 STG800 강관의 직경 및 두께를 최적화하였다.
이형봉강의 대비 강관의 매끈한 표면은 그라우트와의 부착 강도 저하의 원인이 될 수 있다. 이를 개선하고자 전조가공을 통해 강관에 돌기 형상을 구현하였다(전조가공 : 강관의 표면을 롤러로 눌러서 단면 손실없이 형태를 변화시킬 수 있는 가공 방법).
이를 위해 2015년부터 강관의 품질 향상 및 안정화를 위해 지속적으로 연구를 수행하였고, 2018년 12월 14일 ‘KS D3872 지반보강용 강관’ 규격을 신규 제정하게 되었다.

대상 데이터

강관형 격자지보재는 그림 4의 개념도와 같이 격자지보재의 상현재와 하현재에 사용되는 봉강을 STG800 강관으로 대체하여 제작한다.

성능/효과

그림 5에는 4점 휨시험 전경을 그림 6에는 4점 휨시험결과를 나타냈다. 4점 휨시험결과 모든 시험조건에서 강관형 격자지보재가 봉강형 격자지보재에 비해 동등 이상의 하중에서 항복하는 것을 확인하였다. 이를 통해 기존 봉강과 스파이더의 용접성을 STG800 강관과 스파이더 용접에서 충분히 확보할 수 있는 것으로 판단할 수 있다.
2m로 하여 3열을 설치하였고, 항복될때까지 가력하였다. 그 결과 봉강형 및 강관형 격자지보재 모두 약 7.7ton 수준에서 항복하였고, 이때의 변위도 약 280mm 수준으로 유사하였다. 다만 잔류변위는 강관형 격자지보재(약 49mm)가 봉강형 격자지보재(약 69mm) 보다 20mm 가량 작게 나타났다.
4점 휨시험결과 모든 시험조건에서 강관형 격자지보재가 봉강형 격자지보재에 비해 동등 이상의 하중에서 항복하는 것을 확인하였다. 이를 통해 기존 봉강과 스파이더의 용접성을 STG800 강관과 스파이더 용접에서 충분히 확보할 수 있는 것으로 판단할 수 있다.
반면, 강관형 격자지보재의 경우 하중 증가에 따른 용접부의 탈락이 없이 항복까지 진행이 되었다. 이를 통해 기존 봉강에 비해 STG800 강관의 용접성이 향상되었다는 것을 파악할 수 있었다.

후속연구

향후 10년 이내에 GTX사업, 인덕원-동탄 복선전철, 신안산선 등 많은 지하터널의 시공이 예상된다. 이렇게 국내 대심도 도시 철도망의 건설이 지속적으로 증가하고 있기 때문에, 더 가볍기 때문에 시공이 편리하고 안전하며, 더 강해서 튼튼하게 지반을 보강해줄 수 있는 고강도의 강재를 사용한 터널 보강 솔루션의 적용을 기대해 본다.
향후 10년 이내에 GTX사업, 인덕원-동탄 복선전철, 신안산선 등 많은 지하터널의 시공이 예상된다. 이렇게 국내 대심도 도시 철도망의 건설이 지속적으로 증가하고 있기 때문에, 더 가볍기 때문에 시공이 편리하고 안전하며, 더 강해서 튼튼하게 지반을 보강해줄 수 있는 고강도의 강재를 사용한 터널 보강 솔루션의 적용을 기대해 본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

STG800 강관의 항복강도는 기존 봉강 대비 얼마나 향상 되는가?

STG800 강관은 기존의 봉강 대비 항복강도가 약 2배 향상되므로 동일한 부재력을 확보하는데 단면적을 줄일 수 있으므로, 단면 최적화에 따른 경제성 확보가 가능하다. 사용되는 자재의 중량을 절감할 수 있기 때문에, 톤당 단가는 봉강보다 비싸지만 m당 단가는 봉강보다 약 10% 경제적으로 공급이 가능한 것이다.

국내 NATM터널에서 가장 많이 사용되는 강지보재는 무엇인가?

일반적으로 강지보재는 제작된 형상에 따라 H형강, U형강, I형강, Y형 강관, 격자지보재 등으로 구분되는데 국내 NATM터널에서 가장 많이 사용되는 강지보재 중 하나가 격자지보재이다. 격자지보재는 상현재와 하현재의 봉강이 삼각형 또는 사각형의 단면 구조를 이루며 봉강은 스파이더와 결합되는 형태를 지닌다.

이형봉강 록볼트를 주로 사용하고 있지만 문제점은?

현재까지는 현장 수급이 용이하고 시공 실적이 가장 많은 이형봉강 록볼트를 주로 사용하고 있다. 하지만 이형봉강 록볼트는 중국산 자재의 시장진입으로 품질에 대한 신뢰도가 떨어지고 록볼트 주면 모르타르 충전시 흘러내림에 의한 밀실한 충전불량, 용수에 의한 부식 등 다양한 문제점이 나타나고 있다(신현강 외 2, 2017). 또한 NATM 터널의 록볼트는 인력시공으로 중량물인 이형봉강을 사용함에 따른 안전 및 시공성 개선에 대한 요구가 있었다.

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