[논문]터널 강관 보강형 다단 그라우팅의 Seal재 배합비에 대한 연구

황병현; 김연덕; 심재훈; 김상환

doi:10.9711/ktaj.2020.22.4.367

터널 강관 보강형 다단 그라우팅의 Seal재 배합비에 대한 연구
A study of mixing ratio of seal material for umbrella arch reinforcement for tunnelling 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.4, 2020년, pp.367 - 381

황병현 (호서대학교 토목공학과) , 김연덕 (호서대학교 토목공학과) , 심재훈 (현대건설 설계팀) , 김상환 (호서대학교 토목공학과)

초록
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본 연구는 강관다단 그라우팅 공법의 Seal재의 배합비 결과에 대한 연구이다. 현재 국내에는 Seal재의 적정 겔화시간 및 초결시간에 대한 명확한 기준이 없는 실정이며, 이를 확인할 수 없어 품질관리에도 어려움이 있다. 이에 Seal재의 배합비를 4가지로 구성하여 실내 실험을 진행하였으며, 이를 통해 겔화시간 및 블리딩양을 확인하였다. 또한 비카트침 관입 실험을 통해 초결시간을 확인하고 각 배합비의 비교를 진행하였다. 그리고 W/C 120%에 대한 추가적인 실험을 통해 교반 속도와 시간이 Seal재에 미치는 영향을 파악하였다. 실내실험을 기반으로 총 3가지의 배합비에 대한 현장 실험을 진행하였으며, 시료의 초결시간 확인 및 본주입을 통한 구근 형성 크기와 강도를 비교하였다. 비교 결과 W/C가 낮을수록 강도가 강하고 구근의 크기가 크며, 초결 시간이 빠르게 나타나는 결과를 확인하였다. 겔화시간과 초결시간 결과를 통해 실제 현장에 적용 시 W/C 120%의 배합비가 가장 적절할것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the seal material mixing ratio of tunnel umbrella arch reinforcement method. Currently, there is no clear standard for the proper gelation time and curing time of the Seal material in Korea, and the quality control is also difficult because it cannot be verified. In response, the ratio of the mixture of the seal material was composed of four types of indoor experiments, and the amount of gelation time and bleed was checked. In addition, a non-cart penetration test confirmed the curing time and compared the ratio of each combination. Further experiments on W/C 120% identified the effect of mixing speed and time on the seal material. A total of three field experiments were conducted based on indoor experiments, and the size and strength of bulb formation were compared by checking the curing time of the specimen and main injection. Comparisons show that the lower W/C, the stronger the strength, the larger the size of the bulb, and the faster the hardening time appears. Based on the results of the gelation time and curing time, it was deemed that the mixing ratio of W/C 120% is most appropriate when applied to the actual site.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Gelation time measurement
표 Table 1. Mixing case
표 Table 2. Gelation time
그림 Fig. 2. Measurement of simultaneous mixing bleed
그림 Fig. 3. Measurement of bentonite primary mixing bleed
그림 Fig. 4. Penetration test of vicart needle
그림 Fig. 5. Penetration test of vicart needle results
표 Table 3. Results of experiment
표 Table 4. Additional mixing case
그림 Fig. 6. Measurement of additional mixing bleed
표 Table 5. Additional gelation time
그림 Fig. 7. Penetration test of additional vicart needle results
그림 Fig. 8. Field view
표 Table 6. Additional gelation time
그림 Fig. 9. Field diagram
그림 Fig. 10. Vicart measurement results of cylinder
그림 Fig. 11. Vicart measurement results of site
표 Table 7. Hardening time results of cylinder
표 Table 8. Hardening time of site
그림 Fig. 12. Bulb formation confirmation
표 Table 9. Bulb formation review
그림 Fig. 13. Strength check and visual comparison
표 Table 10. Analysis of field test results

AI 본문요약
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가설 설정

- Seal재가 유출되어 부피가 줄어서는 안 된다.

제안 방법

Seal재 초결 시험은 비카트 침 시험기를 사용하여 진행하였다. 관입 상태를 파악하기 위하여 투명 플라스틱 통을 활용하여 진행하였으며, Fig.
, 2019)을 참고하였으며, Seal재를 45도 및 90도로 기울여 흐름 정도를 파악하였다. Seal재가 흐름정지 상태일 때를 겔화로 판단하였으며, 블리딩량은 교반 후 24시간이 지난 뒤 측정하였다. 겔화 측정 방법은 Fig.
Seal재를 각 배합비로 배합한 후 시간경과에 따른 겔화시간, 블리딩, 초결 시간 측정에 대한 실내실험을 진행하였다.
Seal재와 본주입 그라우팅을 활용하여 실시공을 하였으며, 이를 통해 형성된 구근의 크기를 확인해 보았다. Case A-1, Case B-1, Case C-1을 통해 확인하였으며, 확인한 구근은 Fig.
Seal재의 겔화 판단을 위하여 1시간 간격으로 기울기 실험을 진행하였으며, 진행 결과는 Table 2와 같다.
Seal재의 초결 시간을 확인하기 위하여 비카트 침 관입 실험을 진행하였다. 이는 투명 원형 시료 통과 대구경 일반 강관을 이용하여 측정하였다.
Seal재의 현장적용에 앞서 Seal재가 가져야 할 조건들을 충족하는지에 대한 실내 실험을 진행하였다. 충족하는 배합비를 확인하기 위하여 총 4가지의 배합비(455%, 90%, 120%, 150%)를 선정하였다.
각 배합비에 해당하는 Seal재의 24시간 경과 후 재료 분리상태를 육안으로 확인하였다. 동시 교반 블리딩 상태는 Fig.
겔화 시간 측정은 “강관다단 그라우팅에 적용하는 속경성 Sealing재 개발” (Shin et al., 2019)을 참고하였으며, Seal재를 45도 및 90도로 기울여 흐름 정도를 파악하였다.
Seal재 초결 시험은 비카트 침 시험기를 사용하여 진행하였다. 관입 상태를 파악하기 위하여 투명 플라스틱 통을 활용하여 진행하였으며, Fig. 4와 같이 상, 중, 하 위치에 비카트 침 시험을 진행하였다.
3과 같다. 또한 초결상태를 확인하기 위한 비카트 침 실험을 진행하였다. 이는 비카트 침에 의한 수경성 시멘트 응결시험(KS L ISO 9597, 2019)에 따라 진행하였으며 이에 대한 방법 및 결과는 아래 3.
비카트침 관입실험 또한 앞서 진행한 조건 및 방법을 동일하게 하여 진행하였으며, 측정 간격은 3시간에서 1시간으로 줄여 더욱 정밀하게 측정하였다. 추가적인 Case에 해당하는 비카트침 관입실험 결과는 Fig.
현장실험의 경우 공단 기준 배합비인 455%와 실내실험의 결과 중 가장 적합한 조건인 배합비 120%, 비교 검토를 하기 위한 배합비 140%를 실험 조건으로 선정하였다. 실내실험을 통해 고속 교반이 더욱 적절한 것으로 파악되었으며, 현장실험의 교반은 고속교반으로 진행하였다. 또한 Seal재 실시공에 있어 시험 시공 모식도는 Fig.
이에 본 연구에서는 Seal재의 W/C 및 교반방법 등으로 나누어 Case를 선정하여 실험을 실시하였다. 실험은 재료의 분리를 판단하기 위해 블리딩량 측정, Seal재의 겔화 시간측정을 위한 기울기 실험, Seal재의 경화시간 측정 을 위한 비카트 침 관입시험을 하여 Seal재의 정적 W/C를 평가하고 추가로 현장실험을 진행하여 현장 적용성을 확인하였다.
앞서 진행한 실험방법과 동일한 조건을 통해 Case 3-2, Case 3-3의 겔화 시간과 블리딩양을 측정하였다. 추가로 검증한 겔화 시간은 Table 5와 같다.
위 방법을 통해 3시간 단위로 총 18시간 동안 비카트 침 실험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다.
Seal재의 초결 시간을 확인하기 위하여 비카트 침 관입 실험을 진행하였다. 이는 투명 원형 시료 통과 대구경 일반 강관을 이용하여 측정하였다. 대구경 일반 강관은 Φ114.
이에 본 연구에서는 Seal재의 W/C 및 교반방법 등으로 나누어 Case를 선정하여 실험을 실시하였다. 실험은 재료의 분리를 판단하기 위해 블리딩량 측정, Seal재의 겔화 시간측정을 위한 기울기 실험, Seal재의 경화시간 측정 을 위한 비카트 침 관입시험을 하여 Seal재의 정적 W/C를 평가하고 추가로 현장실험을 진행하여 현장 적용성을 확인하였다.
투명 원형 시료 통을 활용해 확인한 각 Case의 초결 시간을 대구경 일반 강관에 적용하여 확인해 보았다. Fig.
현장 적용에 있어 Case 3의 배합비가 가장 적절한 것을 축소모형 실험을 통해 확인하였으며, 교반 속도와 교반 시간이 Seal재에 미치는 영향을 확인하기 위해 추가적인 검토를 진행하였다. Case 3의 배합비와 동시 교반 방법을 사용하여 2가지의 Case를 추가적으로 구성하였다.

대상 데이터

Seal재의 현장적용에 앞서 Seal재가 가져야 할 조건들을 충족하는지에 대한 실내 실험을 진행하였다. 충족하는 배합비를 확인하기 위하여 총 4가지의 배합비(455%, 90%, 120%, 150%)를 선정하였다. 배합비 455%의 경우 “소구경 강관다단 그라우팅 공사시방서(안) (Korea Rail Network Authority, 2018)”을 통해 확인한 배합비로서, 공단 기준 배합비이다.
현장실험은 ○○~○○ 철도건설사업 제○공구 건설공사를 위하여 진행되었다. 현장실험의 전경도는 Fig.
8과 같으며, 현장실험에 적용된 실시공 Case는 Table 6과 같다. 현장실험의 경우 공단 기준 배합비인 455%와 실내실험의 결과 중 가장 적합한 조건인 배합비 120%, 비교 검토를 하기 위한 배합비 140%를 실험 조건으로 선정하였다. 실내실험을 통해 고속 교반이 더욱 적절한 것으로 파악되었으며, 현장실험의 교반은 고속교반으로 진행하였다.

이론/모형

Seal재의 배합은 물, 시멘트, 벤토나이트를 활용하였으며, 이는 전자저울을 활용하여 정확한 계량을 한 후 교반기로 교반하였다. 교반 방법에 있어 재료의 동시 교반 방법과 벤토나이트 선 교반 방법을 사용하였다. 동시교반의 경우 계량된 시료들을 동시에 300초 동안 고속 교반하는 경우이며, 벤토나이트 선 교반의 경우 물과 벤토나이트를 150초 동안 교반 후 시멘트를 추가하여 150초 동안 고속 교반을 진행하였다.
비카트 침 실험 방법은 비카트 침에 의한 수경성 시멘트 응결시험(KS L ISO 9597, 2019)및 수경성 시멘트의 표준주도 시험 방법(KS L 5102, 2016)에 따라서 진행하였으며, 내용은 다음과 같다. 시험체를 시험기에 놓은 후 초결침이 시험체에 닿게 하여 고정시킨다.
또한 초결상태를 확인하기 위한 비카트 침 실험을 진행하였다. 이는 비카트 침에 의한 수경성 시멘트 응결시험(KS L ISO 9597, 2019)에 따라 진행하였으며 이에 대한 방법 및 결과는 아래 3.4와 같다.

성능/효과

실험 결과를 비교해 보면 W/C가 낮아질수록 초결에 달하는 시간은 줄어들며, 구근의 형성이 커지는 것을 확인하였다. W/C가 커질수록 물의 양이 많아 형성된 구근의 색이 옅어지고 강도 또한 낮아지는 것을 확인하였다. 현장 실험 결과를 종합적으로 분석하였을 때 W/C 120%의 배합비는 초결 시간이 가장 빠르며 다른 배합비에 비해 강도 형성이 잘 이루어지는 것을 확인하였다.
각각의 비카트 침 실험 결과를 확인해 보면 Case 1과 Case 1-1을 제외한 배합비의 경우 약 9~12시간 사이에 모두 초결 상태에 달하는 것을 확인할 수 있다. 배합비가 낮은 Case 2와 Case 2-1의 경우가 가장 빨리 초결 상태에 달하였으며, Case 1과 Case 1-1은 18시간 후에도 모든 지점이 관입되었다.
겔화와 초결 실험 모두 벤토나이트 선 교반 시료의 진행상태가 동시 교반 시료보다 더욱 빠른 것을 확인할 수 있었다. 이는 벤토나이트의 팽윤성 때문이다.
Case 1-1의 경우 약 10%, Case 2-1의 경우 약 0%, Case 3-1의 경우 약 4%, Case 4-1의 경우 약 9%의 블리딩을 보인다. 동시 교반과 벤토나이트 선 교반을 비교해보면 벤토나이트 선 교반의 경우 블리딩이 더 작게 발생하는 것을 확인하였다.
동시 교반의 경우 약 4~6시간 후 겔화를 보이며, 벤토나이트 선 교반의 경우 약 2~5시간 후 겔화를 보이는 것을 확인하였다. 벤토나이트 선 교반이 동시 교반보다 더 빠른 겔화를 보이는 것을 확인하였다.
동시 교반의 블리딩을 확인해보면 Case 2와 Case 3은 블리딩이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 배합비(W/C)가 커지면 커질수록 블리딩양은 많아지는 것을 확인할 수 있다. Case 1의 경우 약 35%, Case 2의 경우 약 5%, Case 3의 경우 약 7%, Case 4의 경우 약 25%의 블리딩을 보인다.
벤토나이트 선 교반의 블리딩을 확인해보면 동시 교반과 유사하게 Case 2-1과 Case 3-1은 블리딩이 거의 발생 하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 배합비(W/C)가 커지면 커질수록 블리딩양은 많아지는 것을 확인할 수 있다. Case 1-1의 경우 약 10%, Case 2-1의 경우 약 0%, Case 3-1의 경우 약 4%, Case 4-1의 경우 약 9%의 블리딩을 보인다.
동시 교반의 경우 약 4~6시간 후 겔화를 보이며, 벤토나이트 선 교반의 경우 약 2~5시간 후 겔화를 보이는 것을 확인하였다. 벤토나이트 선 교반이 동시 교반보다 더 빠른 겔화를 보이는 것을 확인하였다.
이는 벤토나이트의 팽윤성 때문이다. 벤토나이트의 팽윤성이 확보가 된 경우 블리딩 현상 또한 적음을 확인하였다. 하지만 팽윤성이 확보되어 농도가 진해졌을 경우 재료가 잘 섞이지 않는 문제점을 확인하였다.
실험 결과를 비교해 보면 W/C가 낮아질수록 초결에 달하는 시간은 줄어들며, 구근의 형성이 커지는 것을 확인하였다. W/C가 커질수록 물의 양이 많아 형성된 구근의 색이 옅어지고 강도 또한 낮아지는 것을 확인하였다.
육안으로 비교하기 쉽게 하기 위하여 Case 3~Case 3-3의 시료를 동시 확인하였으며, 확인결과 5분 저속 교반을 제외한 나머지 조건에서는 상당히 적은 양의 블리딩이 발생하였다. Case 3의 경우 약 7%, Case 3-1의 경우 약 4%, Case 3-2의 경우 약 21%, Case 3-3의 경우 약 5%의 블리딩을 보인다.
하지만 팽윤성이 확보되어 농도가 진해졌을 경우 재료가 잘 섞이지 않는 문제점을 확인하였다. 이들 실험 결과를 통해 향후 시공 시 W/C 120%의 배합비가 가장 적절할 것으로 검토되었다.
Case 3의 경우 약 7%, Case 3-1의 경우 약 4%, Case 3-2의 경우 약 21%, Case 3-3의 경우 약 5%의 블리딩을 보인다. 이를 통해 교반 시 저속 교반 보다 고속 교반을 진행 할 때, 동일한 조건에서 교반 시간이 증가할 때 블리딩 현상이 적다는 것을 확인하였다.
추가 실험을 확인한 결과 Case 3-2는 6시간, Case 3-3은 4시간의 겔화시간을 확인하였다. 이를 통해 저속 교반 보다 고속 교반의 겔화 시간이 빠르다는 것을 확인할 수 있었으며, 10분 고속 교반(Case 3-3)의 경우 5분 고속 교 반(Case 3)보다 겔화 시간이 빠르게 측정되는 것을 확인하였다.
W/C가 커질수록 물의 양이 많아 형성된 구근의 색이 옅어지고 강도 또한 낮아지는 것을 확인하였다. 현장 실험 결과를 종합적으로 분석하였을 때 W/C 120%의 배합비는 초결 시간이 가장 빠르며 다른 배합비에 비해 강도 형성이 잘 이루어지는 것을 확인하였다.

후속연구

또한 현장에서 배합 시 교반은 고속으로 교반하여 블리딩 및 재료 분리를 최소화해야 하며, 재료 교반 시 온도와 습도의 영향이 크므로 주의하여야 할 것이다. 교반 시 반죽판, 건조시멘트, 몰드 및 밑판 부근의 온도는 20~27.
시험실의 상대 습도의 경우 50% 이상이어야 한다. 향후 Seal재 품질에 영향을 미치는 교반 속도 외에 교반 날의 형상 및 크기에 대한 연구가 추가되어야 한다.

참고문헌 (8)

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Hong, Y.H., Yu, J.D., Byun, Y.H., Jang, H.I., You, B.C., Lee, J.S. (2013), "Integrity evaluation of grouting in umbrella arch methods by using guided ultrasonic waves", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 3, pp. 187-199.
Kim, G.H., Choi, C.R., No, J.G., Choi, J.Y. (2018), "A case study on the steel pipe multistage grouting", Magazine of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 3, pp. 67-76.
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KS L 5102 (2016), Testing method for normal consistency of hydraulic cement, National Institute of Technology and Standards, Korea.
KS L ISO 9597 (2019), Determination of setting time and soundness of cements, National Institute of Technology and Standards, Korea.
Park, L.K., Im, J.C. (2004), "Suggestion of a design method for UAM", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 20, No. 3, pp. 97-106.
Shin, H.K., Jung, H.S., Kim, D.H., Ryu, Y.S., Kim, D.H. (2019), "Development of rapidly hardening seal material applicable to steel pipe multistage grouting", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 21, No. 2, pp. 301-321.

저자의 다른 논문 :

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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