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| 배 규 진 | ||
| 터널 급속시공ㆍ급속안정화 연구단 단장/한국건설기술연구원 선임본부장 | ||
연구단에서는 IT기반 인프라와 신소재를 활용해 기존 발파굴착터널 기술들을 개선ㆍ개량해 터널 시공속도를 약 20% 이상 단축시키고, 100년 이상으로 지보재 내구연한을 장수명화할 수 있는 급속시공ㆍ급속안정화 터널 기술(Rapid Excavation and Safe Tunnel, R.E.S.T)을 개발하고 있다. 급속시공ㆍ급속안정화 터널 기술은 급속시공기술, 급속안정화 기술 및 지원기술로 구성돼 있다. 급속시공기술은 발파굴착-콘크리트 라이닝 병행 시공기술과 고효율 최적화 발파기술에 의한 최적화 굴착시스템 개발이다. 급속안정화기술은 굴착지반의 조기 안정 및 장기내구성 향상을 위한 고성능 지보재와 설계패턴 개발이다. 이런 터널의 급속시공 및 급속안정화를 위한 지원기술은 시공속도 향상을 위해 IT기술 접목으로 전방지반을 실시간으로 예측하고 신속하게 의사 결정하는 기술과 급속시공에 필수적인 지보재 및 주변 지반의 안정성을 실시간으로 평가하는 기술로 구성돼 있다.
◇터널 급속시공을 위한 최적화 굴착시스템 개발
터널의 급속시공이 가능한 IT 기반의 고효율 급속굴착공법(RETM 공법)을 개발함으로써 굴착기술과 공정개선을 통해 공기단축과 비용절감을 도모해 기술경쟁력을 제고했다.
RETM 공법의 주공정은 콘크리트 라이닝구조물의 시공과 발파에 의한 굴착을 동시에 시공하는 병행시공법으로서 굴착 후 라이닝을 시공하는 기존의 방법에 비해 약 15%의 공기단축 효과가 있다. 발파 후 터널내 작업환경을 개선하기 위해 분진농도를 1/3 이하로 저감할 수 있는 복합환기시스템을 개발했고, 공정개선을 위해 보온양생장치 및 방수기능형 라이닝시스템을 개발해 기계화 작업과 콘크리트 양생기간 단축 등으로 1일 1사이클의 공정을 확립했다. 나일론섬유가 혼합된 재료를 사용해 강도증대 및 균열저감 효과 등 콘크리트 라이닝의 품질을 개선했다. 콘크리트 라이닝에 발파진동 영향최소화를 위해 지반진동 상시관측시스템을 개발해 병행시공을 위한 안전이격거리의 평가 및 산정을 자동화하고 현장의 각종상황(민원, 사고, 암반 조건의 변화, 설계변경 등)에 유연하게 대응하면서 병행시공이 가능하도록 공정을 개선했다.
미굴 및 여굴을 최소화 하기위해, 고효율의 발파굴착을 위해 발파에 영향을 미치는 암반특성을 고려한 새로운 발파암 분류법을 개발해 설계에 적용함으로써 암반조건에 따라 발파패턴을 최적화하고, 발파효율의 극대화를 통해 최대한의 굴진장을 확보할 수 있도록 했다. 또한 현장실무자가 용이하게 시스템을 이용할 수 있도록 발파 전후 실시간 입력되는 지반정보 및 발파평가 결과에 따라 최적화된 발파패턴설계가 자동적으로 이루어질 수 있게 하였고, Web 환경 하에서 전문가의 원격지원, 발파관련 데이터베이스의 구축 등 통합적인 관리시스템을 구축했다.
◇터널 급속 안정화를 위한 고성능 지보재 개발
터널건설을 위해 굴착된 지반을 급속하게 안정시키기 위해 경제적이며 고성능인 지보재(숏크리트, 록볼트 및 격자지보재)를 개발했다.
선진국에서는 1990년대부터 40 MPa 이상의 고성능 숏크리트가 널리 활용되고 있고 국내에서도 터널설계기준(2007년 개정)에 이를 반영했다. 유럽 등에서는 산업부산물인 실리카퓸을 혼화재로 사용하고 있으나, 국내에서는 전량 수입해야 하는 관계로 경제적으로 매우 불리하다. 따라서 국내 자원이 풍부한 고령토로부터 제조되는 메타카올린을 기반으로 한 미분말 혼화재를 개발하였고, 이를 혼입한 고성능 숏크리트의 활용기술을 완성했다. 개발된 혼화재는 실리카퓸의 약 75%로서 경제적이며 기존 혼화재를 혼입한 숏크리트와 동등한 내구성을 발현한다. 또한 고성능 숏크리트의 두께가 일반 숏크리트의 60~80% 이상이 되면 동등 이상의 성능 발현이 가능한 것으로 분석돼 경제적인 터널 시공에 크게 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 고내력 록볼트에 대해서는 조기 고내력(예: 재령1일 인발력 6.5배 향상)을 달성할 수 있으며 완전충전을 도모할 수 있는 가소성 충전재를 개발했다. 또한 공경에 좌우되지 않고 100% 충전이 가능한 발포성 록볼트 패커를 함께 개발하고 제반 성능의 검증을 완료했다. 마지막으로 터널굴착 직후 지반의 안정성을 도모하고 숏크리트가 타설된 후 숏크리트와 복합구조체로써 굴착지반을 지지하는 고성능 격자지보재를 개발했다. 강지보재로 사용되는 H형강보다 시공성 및 숏크리트와 일체화가 우수한 격자지보재는 1980년대 유렵에서 개발되어 1990년대 후반부터 국내에서 널리 사용되고 있다. 그러나 강봉과 스파이더의 용접에 의해 제작되는 격자지보재는 품질이 불안정하고 H형강보다 지지성능이 약간 떨어지는 단점을 가지고 있다. 그래서 최적화된 형상을 가지는 스파이더의 개발로 강봉과 스파이더의 용접품질 불안정을 완전히 개선했고 동일한 강재량을 사용하여 약 15%의 지지성능을 증대시킨 개량형 격자지보재를 개발했다.
◇실시간 IT 기반 터널정보 평가 및 의사결정 기술
IT기술을 이용해 터널설계시 예측한 지반 상태와 시공 중 지반 조건의 불일치 상황을 정확하게 인지하고, 신속한 평가와 예측을 통해 터널 재해와 시공 중단을 방지하며, 급속안정화 터널 시공을 실현하기위한 실시간 IT 기반 터널정보 평가 및 의사결정 기술을 개발했다.
개발된 급속안정화터널시공 정보시스템(RESTIS)는 터널 굴착 중에 필수 공정에서 얻어지는 지반 정보를 현장 터널 기술자에게 정보화된 형태로 직접 제공할 뿐 아니라 3차원 분석 및 예측 결과를 유사 실시간으로 제공함으로서 최적의 의사결정을 지원한다. RESTIS 시스템은 설계지반정보와 시공중 지반정보의 데이터베이스서버 (RESTIS-CS)를 중심으로 터널 현장 굴진면에서 작업 공정 중에 직접 지반 정보와 굴착정보를 획득하는 3개의 입출력 모듈로 구성돼 있다. 현장 터널 기술자는 모바일 PC 입출력기 (RESTIS-MM), 장약 또는 보강용 천공 데이터를 이용해 근전방의 지반 상태를 평가하는 천공 데이터 분석기 (RESTIS-DM), 레이져 스캐닝을 이용한 굴착단면 측정기(RESTIS-LM)를 이용하여 자료를 획득하고 이를 RESTIS-CS로 전송하고, 지오모델링 모듈(RESTIS-GM)은 3차원 지오모델링을 통하여 현재 굴진 지반의 평가 뿐 아니라 전방의 지반 상태에 대한 예측을 수행하게 되며 이에 대한 정보는 RESTIS-MM 등을 통하여 현장 기술자에게 다시 제공하게 되어 급속안정화터널시공의 기반을 구성하게 된다.
◇시공중 굴착 및 지보 안전성 실시간 평가 및 계측 기술개발
터널시공 현장의 안정성 확보를 위해 현장계측정보의 신뢰성과 활용성을 높이고 시공현장에서 계측된 정보를 이용해 굴착중인 터널의 안전성을 실시간으로 그리고 정량적으로 평가하는 기법을 개발했다.
시공중인 터널의 안정성을 판단하기 위해 현장계측을 실시하도록 하고 있다. 터널은 연장이 긴 구조적 특징이 있으며, 터널붕괴 및 붕락사고는 불확실한 지반조건에 의해 상존하고 있는 점을 감안할 때, 현장에서 신속하고 정량적으로 터널안전성을 평가할 필요가 있다. 시공현장에서 측정되는 계측값들은 지반상태, 지반굴착방법, 지보재 양과 설치방법, 지반-지보재의 상호거동 등이 함축돼 나타나는 의미있는 정보이다. 따라서 신뢰성있는 계측값을 얻고, 또 이를 제대로 평가할 수 있다면 시공중인 터널의 안정성 평가는 물론 지보재의 적절성에 대한 평가까지 가능하게 돼, 결과적으로는 경제적인 터널시공 및 급속시공에까지 기여하게 된다.
본 기법은 지반의 한계변형률 개념을 바탕으로 터널안전성을 시공현장 실무자가 손쉽게 평가할 수 있는 간이평가법에서부터 복잡한 수치해석모델을 이용하는 방법 및 현장의 다양한 정보(지반ㆍ지보ㆍ굴착)를 활용한 인공신경망기법으로 구성돼 있다 이를 통해 (1)굴착지반을 대상으로 한 시공안전성 해석모델 개발 (2)해석모델용 지반물성치 선정 및 평가기술 개발 (3)막장전방보강재의 성능평가 기법 및 선행변위 계측기법 개발 (4)주지보재 성능평가기법 및 계측결과의 정밀성이 확보된 계측기법 개발 (5)실시간 안전성 평가 통합시스템 및 현장지원용 계측통합시스템을 각각 개발해 시공중 터널현장의 붕괴 및 붕락을 최소화 할 수 있다.
<한국건설기술교통평가원ㆍ건설경제 공동기획>
