1. 서 론

해저 혹은 하저 터널은 지하수위가 터널 상부에 위치하여 상당한 수압을 지지하여야 한다(Park et al., 2013; Jun et al., 2017). 특히, 해저터널의 경우 고수압이 작용하고 종종 파쇄대가 출현하기 때문에 수리역학적 안전성 문제가 발생할 수 있다(Fig. 1). 파쇄대는 주변지반에 비해 투수계수가 커서 지하수의 이동통로가 되므로 파쇄대를 통과하는 터널의 라이닝에는 국부적으로 큰 수압이 작용할 수 있다(Kim et al., 2012). 산악 터널의 경우에도 폭우로 인해 지하수위가 갑작스럽게 증가하여 수압에 의해 라이닝이 파괴되는 사고가 발생하는 경우가 있다(Fang et al., 2016).

Fig. 1.

Hydro-mechanically unfavorable environment

고수압이 작용하는 터널은 안정성을 확보하기 위해 지보재를 과도하게 사용하거나 지하수를 배수시켜 수압을 감소시켜야 한다(Nilsen et al., 1999; You and Lee, 2006; Nilsen, 2014). 지하수 영향을 저감시키기 위해 Shin et al. (2009)은 솔레노이드 밸브를 장착한 배수시스템을 채용하거나, 패턴화된 수발공을 설치하는 방법을 제안하였다. 현재까지 제시된 수압저하 방법들은 배수형 터널에서 라이닝에 작용하는 수압을 감소시킬 수 있으나 파쇄대와 같이 지반이 자립하기 어려운 구간에는 적용하기 어렵다. 오히려 파쇄대 구간에 설치되는 수발공은 지하수 유입을 집중시켜 지반의 강도를 저하시킬 수 있다. 또한 이의 설치와 운영에 따른 별도의 비용이 소요되어 공사비 증가의 문제가 있다.

이와 같이 고수압 환경 혹은 파쇄대 구간에는 원활한 배수와 구조적 보강이라는 상충되는 요구 조건 때문에 수리-구조적 이점을 결합한 대응책이 요구된다. 본 연구에서는 지하굴착의 수리-구조적 안정성을 제고하기 위한 공법으로서 기존의 록볼트에 수발공(drain pipe)의 기능을 조합한 이중기능 록볼트(Dual purpose rockbolt, DPR)를 개발하였다. DPR은 유리섬유 보강 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 파이프 소재의 그라우트 정착형 그리고 팽창형 강관(Expandable steel pipe, ESP) 정착형의 2가지 방법으로 개발하였다. 실험과 해석을 통해 DPR의 역학적 ․ 수리적 최적기능 구현 방법을 결정하였고, 각 공법의 적용 편의성과 경제성을 비교 ․ 분석하였다.

2. DPR의 수리-구조적 개념

DPR은 터널에 작용하는 수압과 지하수의 터널 유입량이 반비례 관계(Joo and Shin, 2014)인 데 기초하여 수리역학적 안전성을 확보하면서 동시에 지반을 보강하는 복합목적을 하나의 구조체로 기능화한 것이다. DPR은 크게 정착부, 배수부 그리고 두부로 구성된다. 정착부는 DPR을 지반에 정착시키는 부분에 해당하고 배수부는 록볼트 주위의 지하수를 배수시키는 기능을 담당한다. 두부는 록볼트와 지반을 일체화시키고, 배수부를 통해 유입된 지하수를 터널 배수시스템으로 유도한다. Fig. 2에 DPR의 개념도를 보였다.

Fig. 2.

Concept of dual purpose rockbolt

DPR을 이용하여 지하수를 배수시키는 경우 배수부와 두부만이 배수공 역할을 수행한다. 일반적으로 배수부는 유공관을 사용하는데 유공관 주위에 필터재를 설치하면 지하수만 선택적으로 유입시킬 수 있다. DPR이 지보 역할을 수행하는 경우 배수부는 하중 전달만 하는 자유장이 되고 정착부와 두부는 일반 록볼트처럼 지반 거동을 억제하는 보강기능을 담당한다.

따라서 DPR은 록볼트 형상의 단일 구조체로 터널로 유입되는 용수의 배수경로를 제공하고 동시에 지반 내공변위를 제어할 수 있다. 특히 파쇄대와 같이 누수량이 많고 자립이 어려운 지반에서는 운영 중 라이닝에 작용하는 수압하중을 감소시키는 기능을 부여할 수 있다.

DPR 제작 시 고려할 사항은 재료 내구성과 강도이다. 본 연구에서는 두 가지 특성을 적절하게 갖춘 재료로 판단되는 FRP와 Steel을 이용하여 DPR을 구현하였다. FRP DPR은 그라우트를 사용하는 전면접착형 록볼트 형태로 개발하였고, Steel DPR은 팽창형 강관과 암반의 마찰력으로 정착하는 DPR을 구현하였다. 특히, FRP를 막장에 설치하는 경우 굴착에 따른 문제를 배제할 수 있다.

3. DPR의 수리-구조적 거동 최적화

3.1 개 요

‘수발공+앵커(록볼트)’ 개념 구현을 위하여 2가지 제작공법이 고려되었다. 첫 번째 방법은 FRP 관을 사용한 전면접착형 FRP rockbolt이며, 두 번째는 Steel을 사용한 Expandable Steel Pipe rockbolt (ESP rockbolt)이다. Fig. 3에 FRP rockbolt와 ESP rockbolt의 개념을 나타내었다. FRP rockbolt의 FRP는 유리섬유를 첨가하여 만든 플라스틱 소재로 지보재 수준의 강도와 내염해성을 지니고 있어 해저터널과 같이 염 성분에 의해 부식되기 쉬운 환경에서 사용하기 적합하다. 그라우팅용 Packer를 삽입함으로써 배수부와 정착부를 구분하여, 그라우트 주입 시 정착부 끝에서부터 Packer가 있는 부분까지만 정착되도록 고려하였다(Fig. 3(a)).

Fig. 3.

Dual purpose rockbolts

ESP rockbolt는 steel로 제작된 유공관을 사용하여 배수부를 구현하고 이를 정착부인 팽창형 강관 록볼트와 결합시켰다(Fig. 3(b)). 염해환경 등에서는 아연도금 강관을 사용함으로써 내염해성 기능을 향상시킬 수 있다. 팽창형 강관 록볼트는 내부에 수압을 가해 강관을 팽창시켜 지반에 정착시키는 록볼트로서 설치 즉시 인발력이 발현되는 특성이 있어 지하수 유입이 많은 용수구간이나, 신속한 지반 보강이 필요한 경우 유용하다. 팽창형 강관 록볼트의 정착메커니즘을 Fig. 3(c)에 나타내었다.

3.2 배수기능 최적화

3.2.1 모형실험

DPR인 FRP 록볼트와 ESP 록볼트 모두 유공관을 사용하여 배수기능을 구현하였기 때문에 DPR의 배수길이 결정 및 배수 효과를 검증하기 위해 유공관에 대한 지하수 배수 모형실험과 수치해석을 수행하였다. 모형실험은 Fig. 4와 같이 유공관을 터널 천단부에 설치하여 진행하였다.

Fig. 4.

Drainage test

상사성에 근거하여 터널 직경은 200 mm, 유공관 길이는 터널 직경의 1/10, 토피고는 터널 직경의 2배인 400 mm로 설정하였고, 터널 천단부에 작용하는 수압은 최대 25 kPa이 되도록 실험을 계획하였다. 지반 간극비와 투수계수는 각각 0.6, 1.43 × 10^-4 (m/s)인 것으로 확인되었다. 본 실험에서는 유공관을 이용하여 지하수 배수 시, 라이닝에 작용하는 감압 효과뿐만 아니라 유공관 설계 변수인 배수구간 길이에 따른 수압거동을 분석하였다. 유공관 내 배수구간 길이 영향을 분석하기 위한 실험 케이스는 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Parametric study for the length of drainage part

Fig. 5에 배수구간 길이가 터널직경의 1/10인 경우에 대해 라이닝 위치에 따른 수압 변화 결과를 나타내었다. 여기서 라이닝 위치는 각도로 나타내었으며 터널 천단부에서 0°, 측벽부에서 90°, 인버트에서 180°이다(Fig. 4(a)). 유공관에서 지하수 배수에 따른 수압은 터널 전 주면에서 정수압 대비 평균 약 28% 수준으로 감소하였고 유공관이 설치된 위치에서 수압이 가장 크게 감소하였다.

Fig. 5.

Change of pore water pressure according to tunnel lining

배수구간 길이에 따른 수압 감소를 측정하였다. 측정결과를 Fig. 6에 라이닝 위치에 따른 감압률로 나타내었다. 감압률은 유공관에 의한 지하수 배수 전 수압 대비 지하수 배수 시 수압 감소 정도를 의미하며, 식 (1)로 정의하였다.

$R=\frac{p_1-p_0}{p_0}\times 100\left(\%\right)$  (1)

여기서, R: 감압률, p₀: 지하수 배수 전 수압, p₁: 지하수 배수 시 수압

모든 실험 케이스를 종합하면, 평균 72% 이상의 감압효과가 발생하였고, 최대 감압률이 발생한 위치는 터널 천단부 라이닝, 즉 유공관이 설치되어 있는 위치인 것으로 확인되었다. 배수구간 길이가 증가함에 따라 터널 라이닝 전 주면에서 감압률이 증가하였다. 감압 효과에 대한 배수구간 길이의 영향을 조사하였고, Fig. 6(b)에 배수구간 길이에 따른 최대 감압률의 변화를 나타내었다. 배수구간 길이가 터널 직경의 1/10인 경우 최대 갑압률이 약 83%로 비교적 크게 발생하였지만, 배수구간 길이가 터널 직경의 3/10으로 증가함에 따라 최대 감압률 변화는 약 5%로 크게 증가하지는 않았다.

Fig. 6.

Reduction rate of water pressure according to length of drainage part

3.2.2 수치해석

유공관의 배수기능을 검증하기 위해 Fig. 7(a)와 같이 터널 천단부에 유공관을 설치한 경우에 대한 수치해석을 수행하였다. 지반은 연암으로 가정하여 투수계수를 10^-7 m/s로 하였고, 유공관은 Fig. 7(b)와 같이 지하수가 흐르는 부분과 흐르지 않는 부분으로 구분하였다. DPR의 배수부는 다른 배수공과 마찬가지로 숏크리트와 배수재에 연결되므로 이를 고려하여 모델링하였다. 유공관 내에서 지하수가 흐르는 부분의 투수계수는 지반 투수계수의 10⁴배인 10^-3 m/s로 설정하여 유공관 내에서 중력 흐름이 형성되도록 하였고, 숏크리트와 배수재의 투수계수는 실제 물성을 고려하여 각각 10^-9, 10^-6 m/s로 가정하였다.

Fig. 7.

Modeling for numerical analysis

Fig. 8에 배수구간 길이가 터널 직경의 1/10, 2/10, 3/10인 경우에 감압효과를 나타내었으며, 유공관 설치 시, 감압효과는 터널 라이닝 전 주면에 걸쳐 발생하였다. 수치해석 결과도 실험 결과와 같이 유공관이 설치된 위치에서 최대 감압효과가 발생하였으며, 배수구간 길이가 증가함에 따라 감압효과가 증가하였으나, 그 영향은 크지 않았다.

Fig. 8.

Water pressure distribution acting on tunnel lining

배수구간 길이에 따른 영향은 수압변화량과 유입량에 대해서도 확인하였으며 이를 Fig. 9(a)에 나타내었다. 배수구간 길이가 증가함에 따라 유입량은 증가하였지만 수압은 이전 수압대비 최대 약 9% 까지 감소하였다. 이와 같은 수압과 유입량 변화는 모두 실험결과 일치하는 것으로 나타났다. 배수구간 길이가 터널 직경의 1/10보다 큰 경우 배수구간 길이가 증가할수록 감압효과 변화율은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이는 유입량 증가율 감소와 관계된 것으로, 유입량이 최대 유입량에 도달함에 따라 이와 관련된 감압효과 변화율 또한 감소하였다. Fig. 9(b)에는 수치해석 결과와 실험 결과를 비교하였다. 두 결과는 유사한 경향을 보였으며, 결과 간 최대 오차가 ±5%로 나타났다.

Fig. 9.

Results of parametric studies for length of drainage part

3.3 보강기능 및 정착

FRP 록볼트 정착 방식은 그라우트를 이용한 전면접착방식이다. 따라서 FRP 록볼트는 충분한 정착력을 가지면서 재료 강도가 정착력 이상이 되어야 한다. 반면, ESP 록볼트는 탄소강관 혹은 아연도금강과 같은 고강도 강재를 사용하므로 재료 강도 특성보다는 강관과 지반 간의 역학적 거동을 검증하여, 적정 인발력 확보 여부를 검증할 필요가 있다.

3.3.1 FRP 인장실험

FRP 최대 강도 구현을 위해 FRP로 제작된 유공관에 대해 인장실험을 진행하였다(Fig. 10). FRP 유공관은 프리프레그(Prepreg), 핸드레이업법(Hand lay up method), 인발성형(Pultrution), 필라멘트 와인딩법(Filament winding method) 등의 방법으로 제작할 수 있는데, 이 중에서 관(pipe) 제작이 용이한 프리프레그 방법을 이용하였다. 그러나 조형틀에 재료를 적층하는 형태로 관을 제작하기 때문에 재료가 이방성을 갖는다. 또한 재료를 적층하는 과정에서 Fig. 11(a)와 같이 적층각도(Rolling degree)롤 달리할 수 있는데, 이 적층각도가 재료 강도를 결정하는 중요한 요인이다. 적층각도를 같게 제작하더라도 관의 공(hole) 배치가 달라지면, 재료 이방성으로 인해 물성이 달라질 수 있다. 이를 고려하여 제작 가능한 적층 각도 범위 내에서 4가지 경우(30°, 45°, 60°, 90°)와 대표적인 공 배치인 직선 배치와 지그재그 배치에 따른 재료 인장 특성을 조사하였다(Table 2). 공의 직선 배치와 지그재그 배치에 대한 개요도는 Fig. 11(b)와 Fig. 11(c)에 나타내었다.

Fig. 10.

Equipment for tensile test

Fig. 11.

Factors for manufacturing FRP

Table 2. Cases for strength test

실험 결과, FRP 유공관의 파괴면이 적층각도를 따라 발달하였다(Fig. 12). Fig. 13은 적층각도에 따른 유공관의 파괴면 각도를 보인 것으로 적층 각도와 파괴면 각도가 거의 일치하였다. 즉 FRP 유공관 파괴 시 적층면은 가장 취약한 부분이며, FRP의 파괴 메커니즘을 지배하는 주요 인자임을 알 수 있다.

Fig. 12.

Failure surface

Fig. 13.

Degree of failure surface according to rolling degree

적층 각도에 따른 FRP의 인장 강도와 강성을 Fig. 14에 나타내었다. FRP 강도와 강성은 적층각도 변화에 따라 유사한 경향을 보였는데, 적층각도가 30~45°인 경우에서 FRP는 최대 강도, 최대 강성을 나타냈지만, 적층각도가 90°일 때는 최소 강도와 강성 값을 보였다. 적층각도에 따른 FRP 강도와 강성은 최대, 최솟값 간에 약 2배의 차이가 났다. 따라서 강도를 고려한 효과적인 FRP 관 제작 시 적절한 적층각도 선정이 중요하다.

Fig. 14.

FRP properties according to rolling degree and hole arrangement

균질 등방 재료의 경우 지그재그 배치가 직선 배치보다 유리한 것으로 알려져 있지만(Meijers, 1967), FRP 유공관의 경우는 재료 이방성 때문에 지그재그 배치보다는 직선 배치가 인장에 유리한 것으로 나타났다(Fig. 14).

3.3.2 ESP 록볼트 인발력

ESP 록블트의 정착은 강관을 팽창시켜 발생하는 지반과의 마찰력으로 이루어지기 때문에 인발력은 록볼트 주면에서 발생한 마찰력의 총 합으로 다음과 같이 산정할 수 있다.

$P={𝜇}_r{\int }_{A_c}{𝜎}_{c}dA$  (2)

여기서, P: 인발력, 𝜇_r: 강관-지반 사이의 마찰계수, 𝜎_c: 접촉응력, A_c: 접촉면적

ESP 록볼트의 인발력을 결정하는 주요 인자는 마찰계수 𝜇_r와 지반과의 접촉 거동(𝜎_c, A_c)이다. 마찰계수는 재질, 표면상태 등에 따라 달라지며, 접촉거동은 재료간 상대 강성, 소성 거동 등에 의해 결정된다. ESP 록볼트의 정착 거동을 조사하기 위해 팽창형 강관과 지반 간의 마찰실험과 접촉 거동에 대한 수치해석을 수행하였다.

강관과 지반간의 마찰계수는 Fig. 15와 같이 직접전단실험을 진행하여 산정하였다. 실험은 탄성계수가 1 GPa과 20 GPa인 암반 시료에 대해 암반 표면에 물이 있는 경우와 없는 경우, 총 4가지 경우에 대해 수행하였다(Table 3).

Fig. 15.

Friction test

Table 3. Parametric study for friction test

마찰 실험 결과, 지반 조건에 따라 마찰계수에서 약간의 차이를 보였으나 대체적으로 마찰각의 크기가 25°에서 40° 범위 내에 있는 것으로 확인되었다(Fig. 16). 암석 표면을 매끈하게 가공하여 실험을 진행한 점을 고려하였을 때, 실제 현장에서 적용되는 마찰계수는 위 범위 내에 있거나 이 이상일 것으로 분석되었다.

Fig. 16.

Results for friction test

강관과 지반간의 접촉 거동을 조사하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다(Fig. 17(a)). 모델링 시, 강관의 거동과 형상을 고려하여 평면변형 조건을 가정하였고, 강관의 형상과 천공홀 크기는 실제 현장 조건을 반영하여 Fig. 17(b)와 같이 모사하였다. 지반과 강관 모두 탄소성 거동을 고려하였으며 두 재료 물성은 Table 4에 나타내었다.

Fig. 17.

Expandable steel pipe rockbolt

Table 4. Material properties

강관의 팽창에 따른 지반과의 접촉거동은 비정형성을 보이기 때문에, 접촉에 의해 발생하는 응력을 평균하여 분석하였다. 암반 탄성계수가 1~20 GPa 인 경우에 대해서 평균 접촉응력과 접촉 면적을 산정하였다(Fig. 18(a)) 위 암반에 대해 평균 접촉응력은 2~6 MPa로 나타났으며, 접촉 면적은 천공홀 면 대비 52~68% 수준인 것으로 나타났다. 평균 접촉응력, 접촉면적, 그리고 강관과 지반간의 마찰각을 고려하여 록볼트의 단위 길이당 인발력을 산정하였다(Fig. 18(b)). 단위 길이당 인발력의 크기가 100~450 kN/m로, 적절한 길이가 확보되면 ESP 록볼트 정착은 문제가 없는 것으로 나타났다.

Fig. 18.

Results for anchorage mechanism of ESP rockbolt

4. 현장적용과 효과분석

4.1 현장적용

DPR의 배수와 지보기능이 성립되기 위해서는 우선 DPR이 지반에 정착되어야 한다. 현장 조건보다는 재료 특성에 의해 정착 여부가 결정되는 FRP 록볼트에 비해 ESP 록볼트는 주변환경에 따라 인발 여부가 달라질 수 있다. 이를 고려하여 ESP 록볼트에 대해서는 현장 시공을 수행하였다. 서부간선 지하화 사업현장 제 2공구 환기소 및 본선 접속부, 도담-영천 복선터널 제 5공구 본선, 대곡-소사 복선터널 제 2공구 환기구에 적용하였으며, 설치 후 인발시험을 수행하여 정착 여부를 점검하였다. Fig. 19에는 ESP 록볼트 시공 중인 모습과 설치된 모습을 나타내었다.

Fig. 19.

Field application of DPR

시공 완료된 ESP 록볼트에 대해 Fig. 19(b)와 같이 유입되는 주변 지하수가 PVC 튜브관으로 유도 배수됨을 확인하였고, 설치된 ESP 록볼트에 대해 인발 시험을 수행한 결과 Fig. 20과 같이 모두 설계 기준을 충족하였다.

Fig. 20.

Results of field application

4.2 효과분석

DPR인 FRP rockbolt와 ESP rockbolt는 기존 록볼트에 비해 터널의 수리역학적 안전성을 증진시키는 데 우수함을 확인하였다. ESP rockbolt의 경우 팽창형 강관을 사용하여 정착시키기 때문에 시공속도가 빠르다. FRP rockbolt는 플라스틱 소재이기 때문에 무게가 가벼워 가공 및 작업하기 용이하고 정착부가 천공홀 입구로부터 거리가 있기 때문에 기존 록볼트의 그라우트 유출문제가 해소되었다. 두 지보재 모두 내염해성을 지니고 있기 때문에, 해수와 같이 염 성분이 많은 곳에 적용하기 용이하였고, 현장 적용성과에 근거한 DPR 특징을 일반 이형봉강 록볼트와 비교하여 Table 5에 정리하였다. 또한 FRP rockbolt와 ESP rockbolt의 주요 특징과 성능 비교를 각각 Table 6과 Table 7에 정리하여 나타내었다.

Table 5. Characteristics of deformed bar rockbolt and dual purpose rockbolt

◎: excellent, ○: good, △: fair

Table 6. Characteristics of each dual pipe rockbolt

Table 7. Performance comparison of rockbolt, drain pipe and DPR

◎: excellent, ○: good, △: fair

5. 결 론

본 연구에서는 터널의 역학적 ․ 수리적 안전성을 경제적으로 증진시키기 위한 Dual purpose rockbolt를 개발하였다. DPR은 기존 록볼트와 달리 배수기능을 가지고 있어 라이닝에 작용하는 수압을 감소시킬 수 있다. 따라서 파쇄대와 같이 지하수 유입량이 많고, 역학적으로 취약한 터널 구간을 경제적으로 안전하게 보강할 수 있다.

DPR의 배수기능과 지보기능을 검증하기 위해 실험 및 수치해석을 수행한 결과, 배수부 구간 길이가 터널 직경의 1/10 이상이면 최대 80% 이상의 감압효과가 발생함을 확인하였다. 지보 기능의 검증을 위해 FRP 록볼트는 FRP 재료 자체의 인장 특성을 조사하였고, ESP 록볼트는 강관 팽창에 따른 정착 거동을 분석하였다. FRP로 유공관을 제작하는 경우 preprag 방법의 특성 때문에 생기는 적층각도와 공 배치에 따라 인장에 대한 재료 특성이 다르게 나타났다. 적층각도 30~45°에서 최대 강도 및 강성을 보였고 공을 지그재그로 배치하는 것보다 직선으로 배치하였을 때 더 큰 강도를 기대할 수 있다. ESP 록볼트의 정착 거동에서 주요 인자인 마찰계수와 접촉거동을 조사한 결과, 마찰계수는 대체적으로 25°에서 40°인 것으로 확인되었다. 강관과 지반간의 접촉 거동에 대해서는 강관의 탄성계수가 1~20 GPa 범위 내에서 평균 접촉응력과 접촉면적이 각각 2~6 MPa, 52~68% 인 것으로 나타났으며, 이 때 ESP 록볼트의 단위길이당 인발력은 약 100~450 kN/m로 나타나 충분한 정착효과가 확인되었다. 다만, 지반조건이 불리하여 DPR 록볼트의 정착력이 부족한 경우 록볼트 길이 증가 검토가 필요하다.

현장시험 등 적용성 분석결과, FRP rockbolt는 무게가 가벼워 가공이 용이하고 시공이 편리하였다. 이에 비해 ESP rockbolt는 시공속도가 빠르고. 설치 즉시 정착되기 때문에 용수구간에도 적용이 가능하다. 두 록볼트 모두 기존 방식에 비해 시공성, 안정성, 경제성 면에서 우수한 것으로 나타났으며, 이는 효율적이고 안전한 터널 공사에 기여할 것이다. 특히, DPR은 기본적으로 내염해성을 지니고 있어 염 성분이 있는 환경에 유리하다.