[논문]저토피 철도터널구간의 안전 및 시공성을 고려한 개선된 강관다단 그라우팅 공법 적용성 분석

김낙석; 최기성; 김석현

doi:10.12652/ksce.2020.40.1.0097

초록
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저토피 철도터널구간의 안전 및 시공성을 고려한 굴착보조공법으로서 강관다단 그라우팅 기술이 선정되었다. 특히, 공사 중 과도한 주입압에 의한 지반파괴로 피해가 발생할 우려가 있어 기존 강관다단 그라우팅 공법을 새롭게 개선하여 적용하였다. 본 연구는 00공단에서 발주한 000노반시설 기타공사 구간 중 00안 고속도로 및 00휴게소(하행) 진입로 하부로 통과하는 토피고 11.3~12.1 m 두께의 저토피 철도터널 현장에서 수행하였다. 개선된 강관다단 그라우팅 공법은 새로운 한계주수시험법을 이용한 시공 전 시공조건 평가 기술, 절리의 간격평가, 적합한 주입압력 평가, 최적의 작업완료시간 평가, 주입유형분석에 의한 주입효과평가 기술 등이다. 개선된 강관다단 그라우팅 공법의 적용으로 터널굴착공사 중상부 저토피 구간의 도로를 원활하게 운영할 수 있는 근거를 마련할 수 있었다. 또한, 향후 저토피 구간의 터널강관다단 그라우팅 공사뿐만 아니라 다양한 터널(도로, 지하철, 공동구 등) 강관다단 그라우팅 공사에 적용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The newly improved multistep steel pipe grouting method was applied to an existing steel pipe-reinforced grouting method. It was applied in order to prevent a damage caused by ground failure from excessive grouting pressure in a tunnel construction. The tunnel goes under a highway and a ramp connect...

The newly improved multistep steel pipe grouting method was applied to an existing steel pipe-reinforced grouting method. It was applied in order to prevent a damage caused by ground failure from excessive grouting pressure in a tunnel construction. The tunnel goes under a highway and a ramp connected to a rest area on OO highway with 11.3~12.1 m depth cover and is a part of roadbed facility construction section ordered by OO public corporation. The improved grouting method provides pre-construction work condition assessment technique through new water injection limit test and grouting effect assessment technique by grouting type assessment. It also includes assessments on interval of joints, appropriate grouting pressure, and optimal operation time to be applied to current operations. Application of the grouting method allowed the smooth road management in shallow-depth grouting construction area located upper part of tunnel excavation. Moreover, the possibility of the application of the method not only to shallow-depth grouting construction but also to various steel pipe-reinforced grouting constructions was confirmed.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Illustration of Improved Steel Pipe Multistep Grouting Method
그림 Fig. 2. Improved Steel Pipe Multistep Grouting Method Composition
그림 Fig. 3. Analysis Method of the New Water Injection Limit Test
그림 Fig. 4. New Water Injection Limit Test Program
그림 Fig. 5. 00 Low Depth Railway TunnelConstruction Site
그림 Fig. 6. Improved Steel Pipe Multistep Grouting Method Construction Plan
표 Table 1. New Water Injection Limit Test Assessment Result
표 Table 2. Hydraulic Aperture of Fracture Assessment Results
그림 Fig. 7. Grouting Completion Time Assessment Graph
표 Table 3. Grouting Pressure Assessment Results
표 Table 4. Yield Strength Assessment Result of Grout
표 Table 5. Grouting Type Analysis Result on Grouting Hole No.41

AI 본문요약
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문제 정의

2와 같이 새로운 한계주수시험법을 이용한 주입시공 전 시공조건 평가 기술, 적합한 주입재료의 선정을 위한 절리(공극, 틈)간격평가, 지반피해를 막을 수 있는 적합한 주입압력 평가,전체공정을 단축 할 수 있는 최적의 작업완료시간 평가 및 특히,국내에서는 아직까지 미흡한 요소분야기술인 주입유형분석에 따른 주입효과평가 기술 등이다. 개선된 강관다단 그라우팅 공법의 현장적용성 연구를 통해 저토피 터널굴착공사 뿐만 아니라 강관다단그라우팅 공법이 적용되는 모든 터널굴착공사에 확대적용 할 수있는 기틀을 마련하고자 한다.
1 m두께의 저토피 철도터널구간으로서 굴착공사에서는 상당한 주의가 필요하다. 따라서, 본 연구는 가장 우선적으로 문제가 될 수 있는 공사 중 과도한 주입압에 의한 지반 파괴로 피해가 발생할 우려가있어 기존 강관다단 그라우팅 기술에서 적합하게 추가하여 적용할 수 있는 Fig. 1과 같이 개선된 강관다단 그라우팅 공법을 개발하였다. 개선한 강관다단 그라우팅공법은 기존 공정(코킹, 실링, 주입)에 추가하여 Fig.

제안 방법

(2) 개발된 새로운 한계주수시험방법, 절리간격평가에 의한 과학적인 재료선정, 공학적인 주입압력결정 및 작업완료시간결정 등의 일련의 과정을 순차적으로 진행하여 주입효과분석 및 평가를 실시하였다. 그 결과에 의하면 개선된 강관다단 그라우팅 공법의 적용으로 그라우팅의 시공이 양호하게수행된 것으로 평가되었다.
New 한계주수시험은 주입대상 막장의 41번 공에서 실시하였으며 시험결과평가에 의하여 한계주입압력을 10.0 kgf/cm2 이하및 한계주입속도를 31.0 L/min 이하로 시공조건을 결정하였다(Table 1). 새로운 시험기법의 도입으로 저토피 토사층 구간에서상대적으로 저압에 속하는 완전침투영역 ~ 침투영역에서의 한계주입압력 및 한계주입속도를 결정하여 저토피 구간의 주입시공 시지반파괴 위험을 미연에 차단 할 수 있는 근거를 마련하였다.
69 MPa)까지 가능한 것으로 평가되어 본 주입시공에 이 기준을 적용하였다(Table 3). 기존 기술에는적용하지 않았던 공학적인 그라우팅 압력 평가를 실시하여 한계주수시험에서 구한 압력과 서로 비교하여 두 값 중 안정적인 값을시공에 적용하였다. 시공 중에도 상부지반의 융기 및 침하가 발생하지 않아 시공이 중지되는 일이 없었고 그라우팅 주입동안 안정성과시공성이 증대되었다.
본 연구는 저 토피 철도터널구간에서 터널굴착 시 보조공법으로서 새롭게 개선한 강관다단 그라우팅공법을 개발 및 적용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 현장에 적합한 그라우팅 압력은 최소 0.29 kgf/cm³ (0.029MPa)에서 최대 6.9 kgf/cm² (0.69 MPa)까지 가능한 것으로 평가되어 본 주입시공에 이 기준을 적용하였다(Table 3). 기존 기술에는적용하지 않았던 공학적인 그라우팅 압력 평가를 실시하여 한계주수시험에서 구한 압력과 서로 비교하여 두 값 중 안정적인 값을시공에 적용하였다.

대상 데이터

개선된 강관다단 그라우팅 공법은 기존 공정(코킹, 실링, 주입)은동일하며 새롭게 추가 개발한 요소기술은 새로운 한계주수시험법을 이용한 시공 전 주입지반조건 평가기술, 절리(공극, 틈)의 간격평가, 적합한 주입압력 평가, 최적의 작업완료시간 평가, 주입유형분석에 의한 주입효과평가 기술 등이다. Fig. 6은 개선된 강관다단그라우팅 공법 시공 계획도이며 본 논문에서의 시험, 분석 및 평가에는 41번 공을 주로 적용하였다.
본 연구는 00공단에서 발주한 000노반시설 기타공사 구간 중00안 고속도로 및 00휴게소(하행) 진입로 하부로 통과하는 토피고 11.3~12.1 m 두께의 저토피 철도터널구간에서 수행하였다(Fig.5). 개선된 강관다단 그라우팅 공법은 기존 공정(코킹, 실링, 주입)은동일하며 새롭게 추가 개발한 요소기술은 새로운 한계주수시험법을 이용한 시공 전 주입지반조건 평가기술, 절리(공극, 틈)의 간격평가, 적합한 주입압력 평가, 최적의 작업완료시간 평가, 주입유형분석에 의한 주입효과평가 기술 등이다.
본 현장의 절리의 간격은 129μm이며 평균입경이가장 큰 분말도 4,000 cm2/g정도의 그라우트의 경우 약 17.1μm이며 분말도 4,000 cm2/g 그라우트(17.1μm×3) < 129μm이 되므로 슈퍼셈-4000 주입재를 본 현장에 사용하였다.

성능/효과

(2) 개발된 새로운 한계주수시험방법, 절리간격평가에 의한 과학적인 재료선정, 공학적인 주입압력결정 및 작업완료시간결정 등의 일련의 과정을 순차적으로 진행하여 주입효과분석 및 평가를 실시하였다. 그 결과에 의하면 개선된 강관다단 그라우팅 공법의 적용으로 그라우팅의 시공이 양호하게수행된 것으로 평가되었다.
0 L/min 이하로 시공조건을 결정하였다(Table 1). 새로운 시험기법의 도입으로 저토피 토사층 구간에서상대적으로 저압에 속하는 완전침투영역 ~ 침투영역에서의 한계주입압력 및 한계주입속도를 결정하여 저토피 구간의 주입시공 시지반파괴 위험을 미연에 차단 할 수 있는 근거를 마련하였다.
기존 기술에는적용하지 않았던 공학적인 그라우팅 압력 평가를 실시하여 한계주수시험에서 구한 압력과 서로 비교하여 두 값 중 안정적인 값을시공에 적용하였다. 시공 중에도 상부지반의 융기 및 침하가 발생하지 않아 시공이 중지되는 일이 없었고 그라우팅 주입동안 안정성과시공성이 증대되었다.
주입대상지반의 현장투수계수 값은 k=1.17×10-4 cm/sec이며 절리의 간격을 구하기 위한 개선된 공법의운영 시스템에 입력한 결과 절리간격은 129μm로 평가되었다(Table 2).
주입효과 분석 및 평가에 적용된 41번 공은 전체적으로 A유형과 E유형이 복합적으로 분석되었으며 A유형 영역의 경우 사질 층에서이상적인 침투주입의 경우이며 E유형 영역의 경우 먼저 주입되어겔화한 주입재가 후에 주입된 주입재에 의해 순차적으로 할렬파괴되면서 침투하는 경우로 적절한 주입이 이루어지고 있다고 볼 수있는 경우로서 강관다단 그라우팅 시공이 양호하게 이루어진 것으로평가되었다(Table 5). 일반적으로 강관다단 그라우팅기술의 주입효과를 평가 할 수 있는 방법이 거의 없었는데 본 기술의 도입을편리하게 주입효과를 평가 할 수 있었으며 추후 다양한 강관다단 그라우팅 적용 현장에서 사용 할 수 있는 근거를 마련하였다.
터널의 막장을 굴착해도 이상이 없는 상태의 재료의 전단강도라고 할 수 있다. 평가에 필요한지반 및 그라우팅 시공에 필요한 인자 중 본 현장의 호모겔의요구저항강도는 2 MPa (Korea Rail Network Authority, 2018b),홀의 길이 12 m, 홀의 직경은 105 mm 이며 이를 개선된 공법의 운영 프로그램에 입력하면 그 결과값이 평가되는데 그라우트의 항복강도는 4,375 Pa로 평가되었다(Table 4). 점도의 실험에 의한 그라우트의 항복강도를 시간에 따른 그래프를 작성하면 아래 Fig.

후속연구

(3) 새롭게 개선된 강관다단 그라우팅 공법의 적용으로 터널굴착공사 중 상부 저토피 구간의 도로를 원활하게 운영할수 있는 근거를 마련할 수 있었으며, 향후 저토피 구간의터널강관다단 그라우팅 공사뿐만 아니라 다양한 터널(도로,지하철, 공동구 등) 강관다단 그라우팅 공사에 적용될 수있는 가능성을 확인하였다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강관다단 그라우팅 기술의 특징은 무엇인가?	일반적으로 강관다단 그라우팅 기술은 연약한 지반이나 터널굴착면의 안정 및 붕괴방지를 위해 강관 삽입 및 그라우팅에 의한구조적 보강으로 터널의 안정성을 확보하는 기술이다(Korea RailNetwork Authority, 2018a). 이러한 우수한 터널보조공법이지만,00공단에서 발주한 000노반시설 기타공사 구간 중 00안 고속도로및 00휴게소(하행)진입로 하부로 통과하는 구간은 토피고 11.
	개선된 강관다단 그라우팅 공법의 기술은 무엇인가?	1 m 두께의 저토피 철도터널 현장에서 수행하였다. 개선된 강관다단 그라우팅 공법은 새로운 한계주수시험법을 이용한 시공 전 시공조건 평가 기술, 절리의 간격평가, 적합한 주입압력 평가, 최적의 작업완료시간 평가, 주입유형분석에 의한 주입효과평가 기술 등이다. 개선된 강관다단 그라우팅 공법의 적용으로 터널굴착공사 중상부 저토피 구간의 도로를 원활하게 운영할 수 있는 근거를 마련할 수 있었다.
	강관다단 그라우팅 기술를 사용하기에 주의가 필요한 공사는 무엇인가?	일반적으로 강관다단 그라우팅 기술은 연약한 지반이나 터널굴착면의 안정 및 붕괴방지를 위해 강관 삽입 및 그라우팅에 의한구조적 보강으로 터널의 안정성을 확보하는 기술이다(Korea RailNetwork Authority, 2018a). 이러한 우수한 터널보조공법이지만,00공단에서 발주한 000노반시설 기타공사 구간 중 00안 고속도로및 00휴게소(하행)진입로 하부로 통과하는 구간은 토피고 11.3~12.1 m두께의 저토피 철도터널구간으로서 굴착공사에서는 상당한 주의가필요하다. 따라서, 본 연구는 가장 우선적으로 문제가 될 수 있는공사 중 과도한 주입압에 의한 지반 파괴로 피해가 발생할 우려가있어 기존 강관다단 그라우팅 기술에서 적합하게 추가하여 적용할 수 있는 Fig.

참고문헌 (10)

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Minstry, J. F. (1988). Important aspects of river valley projects, Mahajan Book Distributors, Vol. 2, Amdavad, Gujarat, India.
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