[논문]해수가 슬러리 쉴드 TBM 공법 적용성에 미치는 영향

유영무; 김해만; 김도형; 이인모

doi:10.9711/ktaj.2019.21.2.243

해수가 슬러리 쉴드 TBM 공법 적용성에 미치는 영향
Effect of seawater on the applicability of a slurry shield TBM 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.2, 2019년, pp.243 - 256

유영무 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 김해만 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 김도형 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 이인모 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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슬러리 쉴드 TBM (Slurry shield TBM) 공법에서 벤토나이트 슬러리의 침투와 필터 케이크의 형성 여부는 공법의 적용성에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 그러나 벤토나이트 슬러리는 해수와 접촉하였을 때 팽윤성과 점도가 저하되어 공법에 대한 적용성을 확보하기 어렵다. 본 연구에서는 해수의 영향에 따른 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성 변화를 평가하기 위해 슬러리의 해수 비율을 다르게 하여 주입 실험을 수행하였고 해수가 슬러리의 폐색 현상에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과, 해수의 비율이 0%에서 20%까지 증가할수록 폐색 효과에 의한 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 나타내는 slurry clogging criteria (SCC)가 최대 67%까지도 감소하는 것을 확인하였다. 또한 슬러리의 물리적 성질이 동일함에도 지반 조건에 따라 SCC값이 공법 적용에 문제가 없는 수준에서 공법 적용을 위해 슬러리에 추가적인 처리를 요하는 수준으로 변화하는 것을 통해 슬러리 쉴드 TBM의 적용성을 평가할 때 슬러리의 특성뿐만 아니라 지반 조건에 대한 고려도 필요함을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Formation of filter cake with little slurry penetration into the tunnel face ground is an essential factor to successfully apply the slurry shield tunnel boring machine (TBM) for tunnelling work. However, when the bentonite slurry is in contact with seawater, it is not easy to guarantee the filter cake formation due to decrease of the swelling volume and viscosity of the slurry. In this study, in order to evaluate the effect of the seawater on the applicability of the slurry shield TBM method, the slurry injection tests were carried out with the variation of seawater percentage contained in the slurry samples as well as the variation of soil types. And then, the effect of these two factors on the slurry clogging phenomena was theoretically and experimentally figure out. As a result, it was found that the value of the slurry clogging criteria (SCC) indicating the applicability of the slurry shield TBM significantly decreases up to 67% as the percentage of seawater increases from 0% up to 20%. In addition, it was found to be necessary to take into account both the characteristics of slurry and soil types together when judging the applicability of the slurry shield TBM method by assessing the slurry penetration characteristics that will occur during tunnelling work.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Slurry evaluation items and criteria (Kim et al., 2017)
그림 Fig. 1. Schematic view of slurry and face soil layers (Ryu et al., 2019)
그림 Fig. 2. Flow of small particles through a tube (Reddi and Bonala, 1997)
그림 Fig. 3. One-dimensional flow of slurry (Ryu et al., 2019)
표 Table 2. Slurry clogging criteria
그림 Fig. 4. Estimation of lumped parameter (θ) using slurry sample SL2 and soil sample S1
그림 Fig. 5. Schematic diagram of experimental setup (Ryu et al., 2019)
그림 Fig. 6. Particle size distribution curves of soil samples along with the criteria proposed by Krause (1987)
표 Table 3. Physical properties of soil samples
표 Table 4. Swelling volume of Na-bentonite with variation of seawater percentage
표 Table 5. Viscosity of slurry with variation of seawater percentage
그림 Fig. 7. Fluid loss curves with variation of seawater percentage contained in slurry
표 Table 6. Results of slurry penetration
그림 Fig. 8. Fluid loss curves with variation of particle size distribution of soil samples

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실내 주입 실험을 통해 슬러리에 의한 폐색 효과에 해수가 미치는 영향을 확인하고 Ryu et al. (2019)에서 제안된 지반의 입도분포, 슬러리의 물리적 성질, 주입 압력을 모두 고려할 수 있는 평가 기준인 slurry clogging criteria (SCC)를 활용하여 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성 변화를 정량적으로 확인하고자 한다.
본 논문에서는 서로 다른 입도분포를 가지는 3가지 시료를 대상으로 해수의 비율이 다른 4가지 슬러리를 주입하는 실내 실험을 수행하였다. 단, 해수의 비율은 Kim et al.
본 논문의 실험과 연구는 모두 일차원 흐름을 기반으로 이루어졌으므로, Kim et al. (2009)의 폐색 효과를 고려한 그라우트 침투 모델 중 일차원 흐름에 대한 내용을 슬러리 쉴드 TBM에서의 슬러리 폐색 거동에 적용하여 일차원 슬러리 침투 해석에 대하여 단계적으로 설명하고자 한다.

가설 설정

벤토나이트 슬러리 입자의 침투로 인한 폐색 현상을 모사하기 위해 Fig. 1과 같이 지반 상태를 가정한다. 슬러리를 가압하면 벤토나이트 슬러리 입자는 지반으로 침투하게 되고 지반 내 간극에 퇴적될 것이다.
일차원 슬러리 침투 모델의 해석 과정을 단계적으로 설명하면 먼저 지반의 물성치(투수계수, 간극률, 간극 크기의 대수 정규 분포의 평균 및 표준편차), 슬러리의 물성치(초기농도, 벤토나이트 비중, 벤토나이트 입자의 유효 입경), 주입압 및 shell 두께를 설정하고 lumped parameter, θ를 가정한다.

제안 방법

먼저 실험에 쓰인 지반 모사 장치는 직경 16 cm, 총 높이 60 cm의 원주형 아크릴 챔버로 제작하였다. 두 번째 로슬러리 주입 장치는 교반을 위한 내부에 전동 프로펠러를 설치하였고 지반 모사 장치와 마찬가지로 아크릴로 제작되어 슬러리의 교반 및 주입 상태를 점검할 수 있도록 하였다. 세 번째 압력 조절 장치는 슬러리 주입 장치에서 지반 모사 장치로 압력을 가할 수 있도록 하는 장치로 compressor와 regulator로 이루어진다.
먼저 지반 모사 장치에 57 cm 높이로 시료를 조성한 후, 해수로 포화되도록 하였다. 두 번째로는 슬러리 주입장 치와 지반 모사 장치를 연결하고 조성한 시료 상부의 남은 공간을 슬러리로 채워주었다. 마지막으로 레귤레이터를 조절하여 주입 압력을 50 kPa로 설정하여 모형 지반으로 슬러리가 주입되도록 하고 이 때 수조로 유출되는 수량을 load cell과 data logger를 통해 측정하였다.
두 번째로는 슬러리 주입장 치와 지반 모사 장치를 연결하고 조성한 시료 상부의 남은 공간을 슬러리로 채워주었다. 마지막으로 레귤레이터를 조절하여 주입 압력을 50 kPa로 설정하여 모형 지반으로 슬러리가 주입되도록 하고 이 때 수조로 유출되는 수량을 load cell과 data logger를 통해 측정하였다.
벤토나이트의 팽윤도는 ASTM D5890에 따라 물로 채워진 실린더에 벤토나이트를 0.1 g씩 넣고 모두 침전될때까지 약 10분간 대기하고 침전이 완료되면 다시 0.1 g을 넣는 방식으로 총 2 g을 넣은 후 24시간이 경과되었을때 실린더의 눈금을 0.5 ml 수준까지 측정하였다. 그 결과 벤토나이트의 팽윤도는 해수의 비율이 10%에 이르는때까지 급격하게 감소하고 그 뒤로 감소폭이 둔화되었다.
시료에 주입할 슬러리는 해수의 비율에 차이를 두어 4가지(0%, 5%, 10%, 20%)로 조성하였고 다른 영향을 배제하기 위해 벤토나이트 함유량과 밀도는 각각 60 kg/m³ , 1.034 g/cm³ 로 조성하였다. Kim et al.
실내 모형 실험 장비는 Ryu et al. (2019)이 사용하였던 것과 동일하며 크게 모형 지반을 형성하는 챔버, 슬러리를 교반하고 주입하기 위한 주입 장치와 압력을 가하기 위한 compressor, 압력을 제어하기 위한 regulator 그리고 시간에 따라 발생하는 유출수량을 측정하기 위한 load cell, power supply, data logger 등의 계측장비로 이루어 진다. 실험에 사용된 장비의 개략적인 모습은 Fig.
위의 계산과정을 반복하여 시간-유출량 곡선을 도출하고 이 과정에서 lumped parameter, θ를 변화시키면서 실험으로부터 얻은 시간-유출량 곡선과 일치하도록 lumped parameter, θ를 결정한다.
해수의 유입에 따른 슬러리 폐색 효과의 변화를 확인하기 위해 Krause (1987)가 제안한 슬러리 쉴드 TBM 적용범위에서 최적 범위에 포함되도록 입도 분포를 맞추어 3가지 종류의 시료를 조성하였다. 시료의 기본적인 물리적 특성은 Table 3에 정리되어 있다.

대상 데이터

먼저 실험에 쓰인 지반 모사 장치는 직경 16 cm, 총 높이 60 cm의 원주형 아크릴 챔버로 제작하였다. 두 번째 로슬러리 주입 장치는 교반을 위한 내부에 전동 프로펠러를 설치하였고 지반 모사 장치와 마찬가지로 아크릴로 제작되어 슬러리의 교반 및 주입 상태를 점검할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 첨가제 사용은 고려하지 않으므로 해수 비율이 20%를 초과한 경우는 제외하였다. 슬러리 제조에 사용한 벤토나이트는 Na-벤토나이트이며 200번체 잔류량은 20% 이하 이고 d₈₅는 0.083 mm였다. 슬러리 제조에 사용한 해수의 염분 농도는 세계 해양의 평균 염분 농도 35‰이었으며 해수의 비율에 따른 벤토나이트의 팽윤도는 Table 4에, 슬러리의 점도는 Table 5에 나타내었다.

이론/모형

그 결과 벤토나이트의 팽윤도는 해수의 비율이 10%에 이르는때까지 급격하게 감소하고 그 뒤로 감소폭이 둔화되었다. 슬러리의 Apparent viscosity는 DIN 4127에 따라 규정된 Marsh funnel을 사용하여 Marsh funnel viscosity를 측정한 후, Almahdawi et al. (2014)이 제안한 식 (17)을활용하여 계산하였다.

성능/효과

1. 해수의 비율, 즉 염분의 농도가 증가할수록 벤토나이트의 팽윤도는 감소하고 이에 따라 슬러리의 점도 역시 감소하였다. 특히, 팽윤도의 감소는 해수의 비율이 10%에 이르기까지 급격하게 감소하고 그 이후로는 감소폭이둔화되는 것을 알 수 있었다
2. 주입 실험 결과, 모든 시료에서 해수 비율이 증가할수록 slurry clogging criteria (SCC) 값이 감소하는 것으로 나타났다. 심지어, 해수의 비율이 증가하자 penetration type이 공법 적용에 문제가 없는 Type A (즉, filter cake 형성)에서 공법 적용을 위해 슬러리에 추가적인 처리가 필요한 Type B (즉, 제한적 슬러리 침투 발생)로 변화되는 경우도 존재함을 알 수 있었다.
3. 해수 비율이 같은 슬러리를 서로 다른 입도분포의 시료에 주입한 결과, 슬러리의 물리적인 성질이 동일하지만 지반 조건에 따라 SCC값에 차이가 있으며 이에 따라 penetration type이 다르게 나타나는 경우도 발생하였다. 이로부터 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가하는데 슬러리 자체만을 평가기준으로 사용하는 것에 한계가 있음을 확인하였다.
5 ml 수준까지 측정하였다. 그 결과 벤토나이트의 팽윤도는 해수의 비율이 10%에 이르는때까지 급격하게 감소하고 그 뒤로 감소폭이 둔화되었다. 슬러리의 Apparent viscosity는 DIN 4127에 따라 규정된 Marsh funnel을 사용하여 Marsh funnel viscosity를 측정한 후, Almahdawi et al.
이로부터 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가하는데 슬러리 자체만을 평가기준으로 사용하는 것에 한계가 있음을 확인하였다. 따라서 해수의 영향을 고려하여 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가할 때도 슬러리의 특성뿐만 아니라 지반의 입도분포도 함께 고려하여야 함을 알 수 있었다.
7과 같다. 모든 경우에서 슬러리의 해수 비율이 0%에서 20%로 증가할수록 동일한 시간 동안 발생하는 유출수량이 증가하였으며 SCC 값은 감소하였다(Fig. 7, Table 6). 특히 시료 S2의 경우는 SCC값이 감소하여 penetration type이 공법 적용에 문제가 없는 A에서 적용을 위해 추가적인 처리가 필요한 B로 변화되었다.
8과 같다. 모든 그래프에서 더조립질인 시료에 주입한 경우일수록 유출수량이 크게 발생하였고 해수의 비율이 높을수록 유출수량의 차이는 크게 나타났다.
(2017)의 연구를 바탕으로 20% 이내로 제한하였다. 실험 결과를 slurry clogging criteria (SCC)를 활용하여 정량적인 수치로 계산하여 해수가 슬러리 쉴드 TBM 공법 적용성을 저하시키며 공법의 적용성을 평가할 때 슬러리의 상태만으로 평가하는 것에 한계가 있음을 확인하였다. 연구 수행 결과를 종합해 보면 다음과 같다.
해수 비율이 같은 슬러리를 서로 다른 입도분포의 시료에 주입한 결과, 슬러리의 물리적인 성질이 동일하지만 지반 조건에 따라 SCC값에 차이가 있으며 이에 따라 penetration type이 다르게 나타나는 경우도 발생하였다. 이로부터 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가하는데 슬러리 자체만을 평가기준으로 사용하는 것에 한계가 있음을 확인하였다. 따라서 해수의 영향을 고려하여 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가할 때도 슬러리의 특성뿐만 아니라 지반의 입도분포도 함께 고려하여야 함을 알 수 있었다.
심지어, 해수의 비율이 증가하자 penetration type이 공법 적용에 문제가 없는 Type A (즉, filter cake 형성)에서 공법 적용을 위해 슬러리에 추가적인 처리가 필요한 Type B (즉, 제한적 슬러리 침투 발생)로 변화되는 경우도 존재함을 알 수 있었다. 이로부터 슬러리에 해수가 유입될 경우 슬러리에 의한 폐색 효과가 감소되어 슬러리 쉴드 TBM 공법 적용성이 감소하는 것을 확인하였다. 이는 해수의 비율이 20% 이하인 경우 에도 나타난 현상으로서, 해수의 비율이 20%를 상회하는 경우는 더욱 적용성에 문제가 있음을 쉽게 추론할수 있다.
해수의 비율, 즉 염분의 농도가 증가할수록 벤토나이트의 팽윤도는 감소하고 이에 따라 슬러리의 점도 역시 감소하였다. 특히, 팽윤도의 감소는 해수의 비율이 10%에 이르기까지 급격하게 감소하고 그 이후로는 감소폭이둔화되는 것을 알 수 있었다

후속연구

, 2017). 그러나 이 연구는 슬러리 자체의 상태 변화만을 고려한 슬러리 관리 기준을 나타내고 있어 실제 현장 지반의 입도 분포 등 다른 조건을 고려하지 못하는 한계가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬러리 쉴드 TBM 공법이란 무엇인가?	글로벌 시대를 맞이하며 대륙 간 또는 국가 간을 연결하여 접근성을 확보하는 것에 대한 필요성이 높아지면서 슬러리 쉴드 TBM (Slurry shield TBM) 공법을 사용한 해저터널 프로젝트가 많아지고 있다. 슬러리 쉴드 TBM 공법은 막장 전방으로 챔버 내의 슬러리를 가압하여 주입함으로써 막장의 안정성을 도모하며 굴착해 나가는 공법이다.
	해수의 영향을 고려하여 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가할 때 함께 고려되어야 하는 것은?	이로부터 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가하는데 슬러리 자체만을 평가기준으로 사용하는 것에 한계가 있음을 확인하였다. 따라서 해수의 영향을 고려하여 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가할 때도 슬러리의 특성뿐만 아니라 지반의 입도분포도 함께 고려하여야 함을 알 수 있었다.
	러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가하는데 슬러리 자체만을 평가기준으로 사용하는 것의 한계는 무엇을 통해 확인하였는가?	3. 해수 비율이 같은 슬러리를 서로 다른 입도분포의 시료에 주입한 결과, 슬러리의 물리적인 성질이 동일하지만 지반 조건에 따라 SCC값에 차이가 있으며 이에 따라 penetration type이 다르게 나타나는 경우도 발생하였다. 이로부터 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 평가하는데 슬러리 자체만을 평가기준으로 사용하는 것에 한계가 있음을 확인하였다.

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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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