1. 서론

NATM터널에서는 숏크리트 및 록볼트등 1차지보재 시공단계에서 터널주변 지반변위를 완전히 수렴시킨 후 콘크리트 라이닝을 시공하게 됨으로서, 콘크리트 라이닝이 개념상 구조적 기능을 담당하고 있지 않음에 따라 그 필요성 여부에 대한 논란이 지속되고 있다. NATM이론상 콘크리트 라이닝의 구조적 기능이 명쾌하게 정립되어 있지 않음에도 불구하고 절리가 적은 양호한 암반지반을 제외하고 콘크리트 라이닝의 필요성에 대해 대부분의 터널 기술자들은 동의하고 있는 바이다. 즉 터널라이닝은 주지보재의 역학부족 및 배수시설의 기능저하에 따른 이완하중과 잔류수압이 작용할 가능성이 있는 경우를 대비한 역학적 기능수행 및 내구성 확보, 미관향상의 역할을 수행하는 비구조적 기능을 동수행하는 주요 구조물임을 인지하여야 한다(이형주, 2002). 그러나 콘크리트 라이닝은 시공적인면에서 ① 콘크리트 타설시 폭 30~40cm의 좁은 폭 및 철근사이 타설, ② 강재거푸집상의 콘크리트 타설구(500×600mm)를 이용하여 콘크리트를 타설해야 하는 공간적 제한성등의 특수성으로 인하여 초기 균열발생사례가 많이 보고되고 있다. 따라서 본 고에서는 균열발생 가능성이 높은 대단면 4차로 터널에 대하여 시공시 또는 시공직후 발생되는 초기균열 패턴을 원인을 고찰하고 균열발생 최소화를 위한 시공개선방안을 제안하였다. 또한 제안 개선방안에 대하여 라이닝 콘크리트 타설모형실험 및 콘크리트 유동분석을 수행하여 고품질 콘크리트 라이닝 시공을 위한 제안방안을 검증하고자 하였다.

2. 콘크리트 라이닝 균열형태와 원인분석

터널구조물 사용년한이 길어질수록 콘크리트 라이닝에 발생되는 균열량도 증가되나, 최근의 많은 연구자료에 의하면 터널구조물 시공으로부터 준공직후 까지 발생되는 균열발생사례가 많이 보고되고 있다. 이러한 신설구조물의 초기균열은 재료적인 측면과 시공적인 측면이 복합되어 발생되며, 외부하중에 의한 균열발생 여부에 따라 구조적 및 비구조적 균열로 분류한 균열발생 패턴 및 원인들은 그림 1과 표 1에 요약정리하였다(서강천, 2002).

3. 국내 대단면 4차로 터널 콘크리트 라이닝 시험시공사례 분석

국내 4차로 터널은 1995년 공사완료된 서울외곽 순환고속도로 판교~구리간의 청계터널(L=450m)를 최초로 하여 시공사례가 계속적으로 증가하고 있는 추세이다. 본 고에서는 최근의 국내 대단면 4차로 터널 시공사례 중 현재 시공중에 있는 서울외곽순환 고속도로 00공구의 라이닝 콘크리트 시험시공 및 실제 시공사례를 분석하였으며, 결과는 표2와 같다.

4. 콘크리트 라이닝 균열 최소화 방안

라이닝 콘크리트의 경우 시공측면에서 ① 콘크리트 타설시 폭 30~60cm의 좁은 폭 및 철근사이 타설, ② 강재거푸집상의 콘크리트 타설구(500×600mm)를 이용하여 콘크리트를 타설해야 하는 공간적 제한성등의 특수성으로 인하여 밀실한 콘크리트 타설에 많은 애로사항이 있는 구조물이다. 따라서 밀실콘크리트 타설을 기본 목표로 하여 시공방안을 개선하여야 한다.

강재거푸집 및 콘크리트 타설방식 개선사항으로써, 4차로 터널에서의 기존 라이닝 콘크리트 타설방법의 경우 타설구 부족으로 인하여 최대 콘크리트 낙하고가 6.0m이상으로 타설된다. 일본 지오프론트 연구회(복공분과회;2004. 11)의 연구자료에 의하면 강재거푸집 콘크리트 타설시 4.0m이상의 낙하고를 갖는 콘크리트의 경우 라이닝 시공시 재료분리가 발생될 수 있으며, 이를 고려하여 콘크리트 낙하고가 4.0m이내가 되도록 최적의 타설구 개수 및 위치를 선정토록 하여야 한다. 강재거푸집 진동방식 개선을 위하여 소규모 고주파 진동기(Ø38x L300)를 적용하여 효율적인 타설진동이 수행될 수 있도록 하여야 하며, 천단부 종방향 균열유도를 위한 유도줄눈 홈을 설치하여 구조물 완공후 줄눈 보수만을 수행하여 고품질의 구조물이 시공되도록 함이 바람직하다(정준화, 2001). 이외에도 표 3과 같이 하절기 라이닝 수화열 및 부등건조․수축 최소화를 위한 자동살수장치 및 동절기 스팀양생 시스템을 적용등의 부수적인 라이닝 품질 개선안도 마련함이 바람직하다.

5. 라이닝 콘크리트 유동 모형실험 및 유동성 분석

 본 고에서는 강재거푸집 개선사항에 대하여 콘크리트 타설 모형실험 및 유동분석을 통하여 개선안에 대한 효율성을 검증하였다. 라이닝 콘크리트 유동시험을 위한 모형을 기존 4차로 터널 사이즈의 1/20축척으로 제작함에 따라 골재를 함유하고 있는 콘크리트 주입 모형실험이 현실적으로 많은 시행착오를 거쳤다. 따라서, 본 유동실험은 현장 콘크리트 라이닝 슬러프(slump)치인 15cm에 상응되는 물+시멘트 페이스트를 사용하였다.

5.1 콘크리트 유동 모형실험

타설 모형실험 수행을 위하여 그림2.에서와 같이 실규모의 1/20축소모형을 제작하여 타설구 위치 및 개수에 따른 콘크리트 유동성 분석 및 주입율 변화를 확인하였다.

축소모형실험 개요도는 그림 2와 같고 실험제원에 대하여 요약정리하면 다음과 같다.

적정 물/시멘트 선정을 위하여 물/시멘트 변화에 따른 1/20스케일의 공시체들을 제작후 슬럼프 15cm에 상응하는 물/시멘트를 선정하는 방법으로 예비 슬럼프 시험을 실시하여 적정 물/시멘트비(44/100)를 선정하였다. 콘크리트 유동 모형실험은 총 타설구 위치 9개소 및 15개소의 경우에 대하여 각각 2회의 유동실험을 실시하여, 투입 시멘트 페이스트량에 따라 주입율 평가를 실시하였다. 타설구 위치별 타설 순서 및 타설결과는 표 4.와 같다.

5.2 콘크리트 라이닝 유동분석

5.2.1 유동분석 개요

라이닝 콘크리트 밀실타설 여부에 대한 해석적 검증을 위하여 미국 FLUENT Inc.에서 개발된 유한체적법(FVM; Finite Volume Method)을 사용해, 질량/운동량 에너지와 화학종의 보존방정식을 푸는 범용 CFD코드인 FLUENT 6.0.12을 이용하여 수행하였다. FLUENT에서는 모든 유동에 대하여 식 (1)과 같은 기본적인 연속방정식과 운동량 방정식을 적용하며, 유동의 유형에 따라서 필요한 방정식을 추가하거나 제거하여 해석을 수행하였으며, 그림 3. 흐름도에 의하여 수행하였다.

연속 방정식  :

 (1)

운동량 방정식  :

 (2)

여기서 • : 질량 생성항(라이닝내에서 생성되는 질량없음; 층류조건) 

• : 점성   • : 체적력   •  : 난류응력

(1) 유동정수 산정 및 해석모델링

FLUENT 6.0.12 해석수행상 가장 중요한 인자로는 유동물질의 유동정수 산정으로써, 이를 위하여 표 5.와 같이 콘크리트에 대한 유동정수 측정사례를 조사하여 대상 슬럼프치에 해당하는 소성점도를 선정하였다. 시멘트계 혼합물의 점도측정에 사용되는 장치는 주로 ① 회전점도계, ② 인상구식 점도계, ③ 편행판 Plastometer, ④ 이점법 시험장치, ⑤ 관식점도계등이 있으며, 이 중 해석이 쉽고 장치의 고체면에서 미끄러짐이 생기는 경우 변화속도의 보정이 비교적 간단하게 되는 회전점도계가 많이 사용되고 있음을 고려하여, 유동정수를 표 5.를 기초자료로 하여 산정하였으며, 해석모델링도를 나타내면 표 6과 같다.

(2) 해석조건

콘크리트 라이닝 유동해석에 있어 초기조건은 강재 거푸집 내부는 초기에 공기만이 존재한다고 가정하였다. 타설구로 부터는 콘크트만이 주입되며 공기의 주입은 없는 것으로 하였다.

라이닝 타설구는 총 15개이며, 각 해석조건별로 타설구에 개별적으로 경계조건을 적용하였다. 라이닝이 주입되는 타설구는 Pressure Inlet조건을 설정, 콘크리트가 주입되지 않는 타설구에 대해서는 공기의 외부 배출을 위해 Pressure Outlet 조건을 적용하였으며, 터널 자체와 철근에 대해서는 벽조건을 적용하였다.

그림 3. 라이닝 유동해석 흐름도

(3) 해석 Case 및 결과

설정 해석 Case는 표 7과 같이 기존 강재거푸집 시공사례를 고려하여 강재거푸집 내 타설구 개수중, 측벽 2개소(양측 1개소씩)/천단1개소 사용의 경우를 Case 1, 측벽 6개소(양측 3개소씩)/천단 3개소 사용의 경우를 Case 2, 측벽6개소/어깨부 6개소/ 천단 3개소 사용의 경우를 Case 3으로 하여 총 3개의 Case에 대하여 유동분석을 수행하였다. 또한 해석결과를 요약정리하면 표 8과 같다.

(4) 모형실험 및 해석결과 비교분석

모형실험 결과에 의하면 강재거푸집 타설구 개수 증대시 기존 타설방식에 비하여 14.2%정도 주입율이 향상되었음을 확인하였으며, FLUENT Ver. 6.0을 이용한 수치해석결과에 의하여 콘크리트 유동분석을 통하여 강재거푸집 개선시 콘크리트 주입밀실도 증진여부를 검증할 수 있었다.

6. 결론

토목분야에서의 모든 구조물은 최적의 설계, 안전하고 효율성 높은 시공관리를 통하여 고품질의 구조물이 되도록 많은 노력을 해왔으나, 최근에 와서는 기존구조물의 효율적인 유지관리를 통하여 구조물 사용년한 증대, 운용중 구조물 안전성 확보 등이 주요한 관심사가 되고 있다.

이에 대하여 본 연구에서는 대단면 터널의 고품질 콘크리트 라이닝 시공방안의 일환으로 시공시에 발생될 수 있는 초기균열 제어를 위한 시공상의 개선방안을 제시하

였으며, 라이닝 콘크리트 타설모형실험 및 콘크리트 유동분석을 통하여 개선방안을 검증하였으며, 결과는 다음과 같다.

1) 라이닝 균열 최소화를 위한 주요 개선방안으로는 ① 기존 도로터널 강재거푸집 타설구 개수 증가(기존 9개소 ➡ 개선15개소) 및 라이닝 측벽 콘크리트 타설시 최대 낙하고 4.0m조절, ② 소규모 고주파 진동기를 이용한 효율적인 콘크리트 진동 방식 적용, ③ 강재거푸집 천단부 균열유도줄눈 홈설치로 균열발생 위치 확대 방지 등이 있다.

2) 상기 개선방안 중, 강재거푸집 타설구 개수 증가에 대한 효율성을 검증하기 위하여 강재거푸집 모형실험 및 콘크리트 라이닝 유동분석을 실시하였다. 모형실험 결과, 강재거푸집 타설구 개수 증대시 기존 타설방식에 비하여 14.2%정도 주입율이 향상되었음을 확인하였으며, FLUENT Ver. 6.0을 이용한 수치해석결과에 의하여 콘크리트 유동분석을 통하여 강재거푸집 개선시 콘크리트 주입밀실도 증진여부를 검증할 수 있었다.

3) 본 고에서는 유지관리 효율성 향상을 위한 고품질 라이닝 구조물 시공방안의 일환으로 강재거푸집 개선방안에 대하여 제시하였으나, 향후 라이닝 콘크리트 특성을 고려한 배합설계, 효율적인 구조물 유지관리 기법도입 및 적용방안 도출등의 연구가 지속적으로 요구된다.