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| 차경섭 선임연구원 | ||
한편 국내 원자력발전의 비중은 현재 30%가 넘으며 향후 2030년에는 59%로 증가할 것으로 전망된다. 이에 따른 중저준위ㆍ고준위 방사성폐기물이 배출로 지하 깊은 곳에 방사성폐기물 처분장의 건설이 요구되고 있다.
이들 구조물의 건설에는 필수적으로 해수 혹은 지하수의 유입을 차단하는 기술이 필요하다. 그동안 대규모의 누수사례를 분석해보면 크게 발전소건설, 대형 수리조선소 및 해상교량 등 대형해상공사의 가물막이 누수와, 해저터널, 방사성폐기물 처분장, 대심도 터널 등 대규모, 대심도 지하공간의 누수 등 두 가지 유형으로 나뉠 수 있다.
먼저 앞서 언급한 대형 해상공사는 모두 해안가에서 시공되므로, 외부 해수의 유입을 막는 가물막이(Cofferdam) 공사를 완료한 이후 내부의 물을 빼내어 건조된 상태(육상조건)에서 본구조물을 공사한다는 공통점을 갖고 있다.
해상공사의 경우 규모가 커서 누수사고가 발생할 경우 막대한 인적ㆍ물적 피해가 예상되므로, 가물막이의 차수성능은 본구조물의 시공 중 안정성을 향상시킬 뿐 아니라 부가적인 비용발생을 저감시킬 수 있다는 점에서 차수공법에 대한 선택은 매우 중요하다.
흔히 가시설 차수로 많이 사용되는 강널말뚝 혹은 주열(柱列)식 벽체기술은 장비가 크고, 시공속도가 느려 적용성이 낮다. 반면, 작은 구멍을 천공하여 고화재를 지반내 공극(空隙)에 채워 차수하는 주입공법은 시공속도가 빠르고 비용이 저렴하여 선호도가 높은 편이다. 가물막이는 최소 3년에서 7∼8년 정도 유지해야 하므로, 주입공법(Grouting)은 주입성뿐만 아니라 내구성, 내해수성이 매우 중요하다. 그동안 물유리계 주입재가 지하수와 접촉하면서 용탈되는 성질로 인한 장기 내구성의 저하 및 해수와의 접촉에 의한 내구성 저하등으로 현장에서는 적용성이 다소 떨어진 것이 사실이다.
대규모 대심도 지하공간 건설공사의 경우 지하수위가 높아 암질이 불량할수록 누수량이 많아지기 때문에 차수공사로 인해 시공기간이 급격히 증가하게 된다. 일반적으로 막장면 차수시 포틀랜드시멘트를 주재료로 한 시멘트밀크주입공법이 많이 사용되고 있지만, 이 공법은 터널굴착 시 그라우트재의 응결 및 경화시간지연으로 공기가 늘어나게 되고 그라우트재료의 큰 입경과 낮은 유동성으로 침투성이 낮고, 큰 재료의 블리딩으로 인해 차수품질이 저하되는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 대우건설기술연구원에서는 극한 환경 하에서도 차수성능이 우수한 전천후 스마트 그라우팅 기술(HIT, High-quality Injection Technology)을 3년간의 연구를 통해 개발하였다.
핵심기술은 크게 3가지이다. 첫째 해상가물막이 차수전용 지오폴리머계 그라우트재료 및 대심도 굴착 혹은 댐 차수전용 고침투, 조기강도 발현성 그라우트 재료, 둘째 재료의 혼합성 향상을 위한 교차분사방식 특수선단장치, 셋째 IT접목 자동화 주입관리 시스템 등이다.
공법의 핵심기술
[1] 그라우트 재료
1) HIT-SOIL(해상 가물막이 차수)
본 재료는 해상가물막이 지반 차수전용재로, 주요 구성물질은 실리카퓸과 같은 반응성의 SiO2 및 Al2O3를 포함하고 있다. 반응성의 SiO2는 수산화칼슘과의 포졸란반응에 의해 강도 및 내구성이 우수한 C-S-H겔을 형성함으로써 그라우트재의 강도 및 내구성, 내해수성 개선을 크게 향상하는 효과를 나타낸다. 화학반응식은 아래와 식과 같다.
C3,C2S(칼슘실리케이트) + H2O(물) → C-S-H겔 +Ca(OH)2(수산화칼슘)
Ca(OH)2 + HIT-SOIL + H2O(물) → C-S-H겔
이와 더불어 Al2O3를 포함하고 있어 규산소다와 반응을 통하여 새로운 화합물을 형성하게 되는데 플라이애쉬와 메타카올린등에 포함된 Alumino-Silicate Oxide는 규산과 반응하여 Si-O-Al-의 결합을 이루게 되며, 이는 C-S-H겔과 다른 고분자화합물을 생성하게 된다. 이러한 반응기구를 Geo-polymerization 반응이라 한다.
이처럼 HIT-SOIL은 포졸란 반응 및 Geo-polymerization 반응에 의해 그림1과 같이 담수 및 해수에서도 널리 사용되고 있는 기존 그라우트재(LW, SGR)에 비해 수 배 이상의 높은 강도 발현이 이루어지고 강도증가가 지속되어 내구성 및 내해수성의 효과가 필요한 해상공사에 적합한 재료이다.
2) HIT-ROCK(대심도 터널/댐 차수)
본 재료는 터널 및 댐구조물 전용재이다. 일반적인 일반 시멘트밀크의 경우 물-시멘트비 100% 범위에서도 6시간이상 유동상태를 유지하며 1일이 경과하여도 1MPa이상의 강도를 얻기 힘들고, 침강 및 큰 블리딩으로 주입재 부피의 30%가 감소하여 공기지연 및 차수품질확보가 어렵다.
반면 HIT-ROCK은 물-시멘트비 150%를 기본으로 하여 시멘트사용량을 줄이되 분말도를 6,000~7,000㎠/g로 높여 침투성을 높게 하였다. 주성분이 아윈계광물 및 황산칼슘으로 이루어져 초속경성으로 블리딩은 5% 이내로 낮추며 3시간 이내에 2MPa이상 강도발현이 되도록하여 기존 시멘트밀크 그라우팅대비 약 양생시간을 70%이상을 줄일 수 있어 차수품질 확보 및 공기단축이 필요한 터널 및 댐구조물현장에 적합한 그라우트 재료이다.
[2] 교차분사식 외부혼합형 특수선단장치
기존 선단장치의 경우 이중관 롯트방식으로 내관과 외관이 분리된 상태에서 재료가 하향분사되어 그라우트재의 혼합성 결여로 인해 겔타임 확보 및 주입품질에 문제를 보이고 있다. 일부 혼합성 개선을 위해 별도의 장치를 주입장치내부에 설치하여 혼합성 향상을 도모하나 선단장치내부에 설치되어 분사구의 막힘현상이 자주 발생하여 실제 현장에서는 거의 사용하지 않는 실정이다.
이에 주입관 외부혼합이 가능한 선단장치를 만들어 그라우트재료의 혼합성을 개선하며 주입관의 막힘현상을 개선할 수 있어 소요겔타임 및 주입재의 품질을 확보할 수 있도록 하였다.
[3] IT기반 자동화주입관리 시스템
기존 주입관리방식은 수동제어방식으로 주입자의 경험에 따라서 편차가 크게 발생하며, 주입관리에 대한 신뢰도가 낮은 문제가 있다. 또한, 롤페이퍼방식의 기록지에 의한 단순기록에 치우져 자료의 저장 및 분석에 많은 어려움이 있다.
개발된 시스템의 경우 PID(Proportional Integral Derivative)방식의 제어모듈을 사용하여 심도별로 설정된 한계압에 따라 자동으로 주입속도가 조절되는 특징이 있다. 이는 기존 수동에 의한 On-Off 제어방식에 비해 정밀도가 매우 높다.
또한, 주입홀의 붕괴 및 주입재의 유출등과 같은 문제가 발생하면 자동적으로 주입중단이 되어 추가적인 문제를 막는데 유리하다.
한편, 스마트폰과 결합하여 3G망을 이용 중앙서버를 두고 모든 그라우팅장비에서 발생하는 데이터를 감독관 혹은 관리자가 실시간으로 확인 및 감독할 수 있어 주입관리에도 매우 유리하다.
본 시스템은 기존 주입장치에 간단한 장치를 Add-on하여 사용하므로 사용성이 매우 편리한 장점이 있다.
적용사례
1) 시화조력발전소 현장(HIT-SOIL)
시화방조제 한가운데 바닷물을 막아 조성한 축구장 12개 크기의 부지에 현재 시공을 완료한 곳으로 차수그라우팅 과업구간은 호수측 기존 방조제구간으로 3~6개월정도 유지되어야 한다. 내부굴착 시 굴착측으로 해수가 유입되어 비탈면 안정성 확보 및 파이핑발생 가능성을 배제하기 위해 HIT-SOIL재료를 적용하였다. 그라우트 전후의 차수효과를 판단하기 위하여 현장투수시험(변수두시험)을 실시하였으며, 그라우팅 이후 투수계수의 저하를 통해 차수효과를 확인 할 수 있다.
2) 월성 방폐물 제1단계 현장(HIT-ROCK)
사업비 약 1조5000억원, 80만 드럼 규모의 방폐물을 처리가 가능한 아시아 최초의 동굴처분방식의 방사성폐기물처분시설현장이다. 터널굴착현장으로 암질이 불량하여 굴착속도가 지연되며 특히 지하수위가 높고 누수량이 많이 매 막장마다 차수 그라우팅이 필요하다. 공기단축 및 차수품질 확보를 위해 HIT-ROCK재료 적용하였고, 그 결과 블리딩은 5%미만 3시간이내 2MPa 강도를 확보하여 양생시간을 기존 10시간에서 3시간으로 약 70% 단축하였다.
그라우트 전후의 차수 효과를 확인하기 위해 시험전후 누수량을 확인한 결과 아래표와 같이 시공전보다 시공후 누수량이 저감하였고 기준누수량 1L/min/m미만을 나타나 차수효과가 양호한 것으로 나타났다.
성과 및 기대효과
대우건설기술연구원에서는 2011년 이후 시화조력발전소 현장 및 월성 방폐물시설 1단계 현장 등 총 9차례의 HIT그라우팅공법을 현장 적용했다. 그 결과, HIT-SOIL은 고내구성/내해수성의 차수품질 확보 및 기존 약액그라우팅 대비 재료비 10%절감, HIT-ROCK은 기존 시멘트밀크주입공법대비 침투력향상 및 블리딩저감을 통한 차수품질 확보와 양생시간을 70%단축하여 전체 굴착공기의 30% 단축이 가능함을 확인하였다.
HIT 그라우팅 공법은 꾸준히 문제가 되었던 해상가물막이공의 내구성 및 내해수성 문제 및 터널차수시 양생시간에 따른 공기지연 문제의 해결이 가능한 공법이다. 추후 시공될 인천만, 가로림 및 강화조력발전소등과 같은 대형해상프로젝트 및 GTX, 고준위방폐물처분장 등의 대규모 지하공간 프로젝트의 차수문제를 해결할 수 있는 대표적인 공법이 될 것으로 기대하고 있다.
차경섭 대우건설기술연구원 토목연구팀 선임연구원
