1. 서 론

최근 들어 터널구조물이 도로 및 철도 등에서 차지하는 비율이 급증하고 있다. 예를 들면 최근 개통된 도로, 철도에서 터널구조물이 전체 연장에서 차지하는 비율이 60% 이상인 경우도 있다. 이와 더불어 터널구조물에 대한 유지관리 중요성이 증가하고 있다. 터널구조물은 터널의 공간적인 특성상 폐쇄적인 특성이 있으므로 터널 주행 시 양호한 성능확보를 위해서는 터널 포장부에 대한 양호한 주행성능 확보가 필요하다. 따라서 공용중인 터널 포장부에 균열 등 주행성능을 저하시키는 원인들이 발생하면 신속하게 원인부석을 실시하여 대책방안을 수립하여 조치하여야 한다. 터널구조물은 공간적인 폐쇄특성으로 인하여 상대적으로 일반 도로부보다 보수작업을 수행하기 위하여 일부 차로를 차단하고 보수작업을 수행하는 것이 차량 정체, 지연, 사고 등의 주요한 원인이 되므로 사전에 터널 포장부 상태를 조사분석하여 보수를 최소화하는 것이 중요하다. 터널 내의 포장형식은 터널 전후의 토공부 포장과의 연속성, 건설 후 유지관리, 시공성, 저소음 특성 등을 고려하여 포장형식을 선택한다. 터널 내 포장 설계에서 고려할 사항은 다음과 같다. 터널 내 포장은 터널 출입부의 일정구간을 제외하고 계절적 온도변화를 적게 받지만 포장층 내 함수비가 높으므로 내수성 재료가 요구된다. 또한 차량 주행 안전성을 위한 명색화 표면이 요구된다. 터널 내 포장층 아래의 선택층(동상방지층 또는 차단층) 두께는 터널 내의 계절적 온도변화 분포, 동결 ․ 융해 작용에 대한 터널 내의 암반 또는 토질의 영향 정도와 범위 등의 현장조건을 고려하여 적절히 조절할 수 있으나, 터널 바닥의 요철면의 물고임에 대한 배수처리를 위한 적정두께의 배수층 설치를 반드시 고려하여야 한다. 다음 Fig. 1은 일반적인 도로터널에서 포장부 단면도이고 Fig. 2는 터널 내 포장부 작업사진이다.

본 연구에서는 공용중인 터널 포장부 균열발생에 대한 대책수립을 위하여 터널 포장층 지지력 분석을 위한 FWD (Falling weight deflectormeter) 조사분석, 포장층 지속적인 파손에 영향을 주는 공동여부조사를 위해 GPR (Ground penetrating radar) 조사분석을 수행하여 토사구간에서 지지력 분석결과를 바탕으로 터널포장부 균열에 대한 원인분석과 대책방안을 제안한 연구이다. 본 연구대상 터널은 당초 건설당시에 다음 Fig. 3과 같이 바닥부 토사구간 분포가 광범위하고 지하수 용출이 지속적으로 발생하고 있어 공사완료 후 장기적인 측면에서 지하수 용출량이 지속적으로 증가한다면 터널 하부 지반특성의 연약화로 인하여 터널 내 포장부에 영향을 줄 수 있을 것으로 예상되었던 터널이다. 따라서 토사구간과 지하수 용출이 발생한 구간에 대해서는 시공당시 발생한 지하수 용출 등을 고려하여 국부적으로 바닥부에 대해서 보강처리를 수행하였던 터널이다. Fig. 4는 시공완료 후 균열 발생 일부구간에 대하여 시추조사를 실시한 결과이고 풍화암 하부에 국부적으로 파쇄대와 점토층이 분포하고 있는 것으로 조사되었다.

2. 터널 내 포장부 균열 발생 조사 및 분석

본 연구 대상 터널에 적용된 터널 내 포장공법은 조도, 유지관리 내구성 등을 고려하여 콘크리트 포장이 적용되었다. 본 연구대상 터널의 경우, 다음 Fig. 5와 같이 공용 후 터널 내 일부구간에 포장부 균열이 발생되었는데 터널 내 포장부 균열은 터널 구조적 특성으로 하부 지반 연약화로 인한 융기 후 균열과 과적차량에 의한 손상 균열이 발생하는 것으로 조사되었다. 터널포장부 균열은 하부 지반연약화에 의한 균열로서 시간경과에 비례하여 균열부위 확대로 인하여 광범위한 손상을 발생시키게 되므로 손상부위 확대를 억제하기 위하여 대책수립이 필요하다. 또한 이러한 터널 내 균열은 터널 내 주행차량의 주행성능을 저하시키고 안전사고에 대한 위험성 있으므로 신속한 조사가 필요하다. 균열원인을 분석하기 위하여 하부 지반지지력 특성을 분석 FWD시험과 하부지반 공동발생 정도 분석 GPR조사를 수행하여 터널 하부지반과 포장부 균열에 대한 상관관계를 분석하였다. 균열부에 대한 조사결과, 다음 Fig. 5와 같이 균열 폭은 최대 2 cm 이상이고 균열형태는 망상균열 형태로 발생하였다.

이러한 균열은 포장부 뿐만 아니라 다음 Fig. 6과 같이 터널공동부에도 종방향 균열이 발생하였고 또한 본선 포장부와 터널 공동부와는 1 cm ~ 3 cm의 단차가 발생한 것으로 조사되었다. 또한 균열부가 확대되는 경향을 보이고 있는 것으로 조사되었다. 포장내부의 균열분포를 조사하기 일부 포장부를 절단하여 조사한 결과, Fig. 7과 같이 내부 균열발생 상태를 확인하였고 포장 중심부를 관통하는 균열형태로 발생하였다.

3. 터널포장 균열원인 분석을 위한 FWD 및 GPR 분석

3.1 터널포장 균열발생 구간 지지력 분석을 위한 FWD 조사

터널 내 포장균열 원인분석을 위해서는 포장 바닥부 지지력 특성과 공동부 형태등에 대한 분석이 중요하므로 공용중인 터널 내 포장부 지지력 분석을 위하여 다음과 같이 FWD (Falling weight deflectormeter) 분석을 실시하였다. FWD는 시험 속도가 빠르고 재현성이 높으며 AASHTO 포장설계지침에는 이를 이용해 덧씌우기 두께를 산정하는 방법이 있을 만큼 많이 사용되고 있는 장비이다. FWD는 Fig. 8과 같이 높이조절이 가능한 추를 통해 4단계의 하중 크기의 조절이 가능하고 정확한 크기는 로드 셀을 통해 얻는다. 하중의 크기에 따라 다른 처짐이 얻어지며 적용 하중단계가 같더라도 지반의 상태에 따라 변동이 있기 때문에 모든 처짐을 정규화 된 처짐으로 변환하여 비교하기도 한다. 정규화된 처짐이란 단계별로 다른 하중에 따른 처짐을 40 kN로 환산하여 구한 처짐으로 콘크리트 포장에서 하중의 증가에 따른 처짐의 증가가 선형으로 변화한다고 가정하고 측정 하중과 40 kN의 비율에 측정 하중에 의한 처짐을 곱하여 구한다(You, 2007).

충격하중을 통해 포장의 표면에 발생한 처짐은 지오폰(geophone)으로 불리우는 속도계를 통해 계측되며 7개의 지오폰이 300 mm의 간격으로 설치되어 있다. 지오폰은 사용되는 역해석 공식에 따라 다르게 배치될 수 있으나 현재는 AASHTO 포장설계지침의 AREA법을 사용하는데 적합하도록 되어있다. 본 연구에 사용된 FWD의 충격하중은 지반상태에 따라서 차이가 있으나 30 micro second동안 가해지고 7개의 지오폰에서 시간에 따른 처짐을 얻을 수 있으며 Fig. 9와 같은 데이터를 얻을 수 있다. 이 데이터 가운데 AREA법에는 처짐 및 하중의 최대 값을 사용하여 물성을 추정하게 된다. 콘크리트포장의 이론적 해석은 Westergaard의 이론을 기본으로 접근하였고 kirchhoff 판 요소를 이용한 유한요소해석을 수행하는 방향으로 진전되었다. 이론적 해석과 유한요소해석의 장점은 엄밀한 해를 얻을 수 있고 연산시간이 작아 빠르고 쉽게 포장의 거동을 조사할 수 있어 설계에 적합하다는 것이다. 이러한 이론들은 궁극적으로 FWD의 하중에 대한 물성을 역산하는데 사용되고 있는데 실제의 조건이 지나치게 단순화되어 적용되는 점 때문에 역산된 결과를 그대로 사용하지는 못하고 있는 실정으로 지지력의 경우 AASHTO에서는 결과 값의 1/2를 사용하도록 권고하고 있고 탄성계수의 경우 실측값과 높은 상관관계를 가지지 못하는 것으로 보고되고 있다. AREA법은 slab-on-grade 형식의 포장에 적합한 역해석 기법으로 재하판의 크기가 정해지는 경우 포장체의 상대강성 반경(radius of relative stiffness)과 포장의 처짐형상을 사용하여 얻어지는 AREA값은 유일한 관계를 가진다는 Ioannides (1990)의 이론에 근거한다. Westergaard의 상대강성반경(lk)와 Hoffman과 Thompson에 의해 제시된 AREA는 식 (1)과 같이 표현된다.

여기에서, E : 슬래브의 탄성계수, h : 슬래브의 두께, μ : 슬래브의 포아슨 비, k : 노상 지지력

      di : 측정된 각 센서의 처짐 값, n : 센서의 개수 – 1, Λ : 센서의 간격(등간격인 경우)

Losberg는 1960년에 판 이론을 기초로 원형하중이 가해지는 경우 dense liquid 기초에 대한 처짐공식을 유도하였다. Ioannides (1990)는 이 공식을 이용하여 재하조건이 주어지는 경우 상대강성반경과 AREA의 관계를 얻어냈으며 콘크리트포장의 역해석 프로그램인 ILLI-BACK의 주된 알고리즘으로 이용하였다. Hall과 Mohseni (1991)는 위의 원리를 바탕으로 FWD의 시험에 가장 널리 사용되는 0, 12, 24, 36 inch간격 센서배치에 적용할 수 있는 공식을 유도하였으며 1993년도 AASHTO 포장설계지침에 채택된 식(2)와 같은 형태를 가지고 있다(AASHTO, 1993).

위에서 얻어진 상대강성반경을 Westergaard의 최대처짐 공식에 대입하여 포장의 지지력을 계산할 수 있고 여기에서 얻어진 지지력과 포장 두께를 상대강성반경 공식에 대입하여 포장의 탄성계수를 최종적으로 얻어내게 된다. 무한크기의 판에 적용되는 Westergaard의 공식은 식(3)과 같다.

이렇게 얻어진 동적지지력 및 상대강성반경을 이용하고 추가로 포장 두께를 아는 경우을 이용하여 콘크리트포장의 탄성계수를 구할 수 있으며 식(4)과 같다(Ioannides, A. M., 1990).

본 연구대상 터널 균열 발생부 포장의 구조적 지지력 평가를 위하여 FWD를 이용하여 처짐량 분석을 실시하였고, FWD의 하중재하판을 측정위치에 고정시키고 충격하중을 재하했을 때의 처짐량을 측정한다. ISM (impact stiffness modulus)은 하중을 처짐량으로 나눈 값으로 1 mm 처짐이 발생하는데 필요한 충격하중을 의미하며 ISM 값이 높을수록 지지력이 양호하다는 것을 의미한다. FWD 조사 위치는 Fig. 10과 같이 상행선의 경우, 융기가 발생한 4~5번 슬래브와 건전부인 1~3, 6~8번 슬래브 1차로 구간에서 조사하였다. 균열이 발생한 4~5번 슬래브는 집중 조사를 실시하였다. Fig. 11과 같이 하행선방향의 FWD 조사 위치는 균열이 발생한 4번 슬래브와 앞뒤의 건전부인 1~3, 5~6번 슬래브의 1차로 구간에서 조사하였다.

콘크리트 슬래브의 처짐량을 평가하는 ISM지수를 이용하여 조사구간의 처짐량 분석한 결과, 상행선 방향 파손구간은 동하중 87~110 kN에서의 ISM값은 Fig. 12와 같이 균열부 슬래브가 건전부 슬래브에 비해 평균 21.1%의 현저히 낮은 값을 보이고 있으므로 균열부 슬래브에서 상대적 처짐이 과다함을 알 수 있다. Fig. 13의 하행선 파손구간은 주변의 파손 전후의 슬래브에 비해 평균 51.0%의 낮은 ISM을 보이고 있다.

슬래브 하부 동적지지력 산정결과, Fig. 14와 같이 상행선 방향 파손구간(조사위치 4~9, 15~18)의 지지력은 대부분이 150pci 이하의 낮은 지지력을 보이고 있으나 균열 전/후 슬래브(조사위치 1~3, 10~14, 20~21)의 지지력은 높게 평가되고 있다. 하행선 방향 균열발생 구간의 지지력은 Fig. 15와 같이 균열 전 슬래브(조사위치 7)는 높은 지지력을 보이지만 균열 후 슬래브(조사위치 9)는 100 pci이하의 낮은 지지력을 보이고 있다.

3.2 터널포장 균열발생구간 하부 지반이완 분석을 위한 GPR 조사

본 연구에서는 터널포장부 하부 공동유무를 분석하기 위하여 GPR (Ground Penetrating Radar)을 적용하였다. GPR 조사는 고주파의 전자파신호를 공중에 방사시킨 후 목표물의 탐지 및 위치를 파악하는 레이다 탐사법을 지하에 적용시킨 것이다. GPR 탐사법은 안테나로부터 전자파를 짧은 폭의 펄스형태로 지하에 전파시킨 후 전파 경로 중 물리적 성질이 다른 매질의 경계에서 반사해오는 전자파를 수신‧분석하여 지하의 정보를 얻는 물리 탐사법의 한 방법으로 전자파가 지하 매질을 전파해 나갈 때 이질의 매질층 또는 이상매체를 이루는 재료 고유의 유전특성에 따라 변화하는 점을 이용하여 각 이질층의 두께 및 위치를 파악한다. GPR 조사는 수 MHz - 수 GHz 범위의 고주파 대역을 사용하는 물리탐사법의 일종으로 지하 불균질대에 대한 고 분해능의 영상을 연속적으로 얻을 수 있어 구조물 내부 및 지반에 대한 정보를 신속하고 경제적으로 획득할 수 있기 때문에 그 적용 대상이 지하매설물, 배면공동, 터널의 이상대 탐지, 매립토 및 퇴적물의 지층 두께 등 여러 분야로 확산되고 있으며 기존의 조사법에 비해 장비의 운용과 자료 수집 및 처리가 비교적 간단하고 결과자료의 해상도 및 정밀도가 뛰어나서 보통 20 m 이하의 천부 지반 탐사나 수 cm - 수 m 단위의 구조물을 대상으로 하는 조사부문에 효과적으로 이용할 수 있다. 그러나, GPR에서 제공하는 정보는 비파괴검사의 한 방법으로 정성적인 특징을 가지고 있기 때문에 시추검사공을 실시하여 탐사결과를 보완하는 것이 정보의 신뢰도를 높일 수 있다.

일반적으로 비파괴 지반조사 시 실시하는 탐사는 지반의 함수비, 매질의 건조여부, 다짐도, 종류 등에 의해 유전상수가 달라지게 된다. 또한 전자파의 전파 능력은 고주파일수록 멀리 도달하지 못하나 해상도가 커지므로 일반적으로 해상도가 중요시 될 경우는 가능한 고주파를 이용하여 자료를 획득한다. 분석조건에 따라 해상력보다는 멀리 도달하는 것이 중요할 경우가 있으며, 이 경우에는 저주파를 이용하여 탐사를 실시한다. 당 현장에서는 해상도와 투과심도를 만족하기 위하여 1000 MHz 안테나를 사용하여 실시하였다. 메뉴얼상의 1000 MHz 안테나는 토양에서는 약 1.2 m, 암반에서는 약 1 m 심도까지 레이다파가 전달된다고 하나, 현장 여건에 따라 감쇠현상으로 인하여 실제 투과심도는 감소한다. 당 현장은 대부분 콘크리트로 되어 있으며 실제 투과심도는 최대 1.0 m이내까지 측정된 것으로 판단된다. 전파속도는 각 매질에 따라 다르다. 따라서 당 현장에서는 터널 콘크리트포장이 대상이므로 일반적으로 평균 전파속도인 100 mm/ns의 속도값을 적용하였다. GPR 탐사에 있어서 사용된 안테나 주파수는 해상도(resolution)에 비례하고 침투심도(penetrating depth)에는 반비례한다.

본 연구대상 터널에 대하여 상대적으로 균열이 많이 발생한 상행선 방향의 콘크리트 포장부에 대한 GPR조사에서는 Fig. 16에서 나타낸 것과 같이 포장파손부를 중심으로 다채널 GPR 시스템을 이용하여 1차로의 포장하부 심도 1.5 m에 대한 현장조사를 수행하였다. 현장조사에서는 다채널 GPR 장비의 1회 조사폭이 1.5 m인 점을 고려하여 좌우측 차선으로 인접하여 조사분석을 수행하였다.

Fig. 16은 다채널 GPR을 이용한 현장신호를 횡단면도, 종단면도, 평면도로 나타내고 있으며, 횡단면도와 종단면도에서 볼 수 있듯이 2 m, 8 m, 14 m, 20 m, 26 m, 32 m 위치의 줄눈부에서 다웰바로 인한 반사신호가 나타나고 있다. 또한 횡단면도를 살펴보면, 조사시점 기준 8 m ~ 24 m 구간에서 지반이완으로 추정되는 특이신호가 나타나고 있으며, 특히 포장균열이 발생한 14 m ~ 22 m 구간에서 많은 변동신호가 나타나고 있다.

Fig. 17에서 나타낸 현장 조사신호에 근거하여 Fig. 18과 같이 포장하부 지반이완이 추정되는 구간을 도시하였다.

이와같이 이완영역에 대한 변위측정값을 고려하여 다음 Fig. 19와 같이 범용 수치해석 프로그램을 이용하여 터널 포장부 하부지반 전반적인 변위특성과 보강적정성을 분석하였다. 현재 지지력조건을 고려한 변위분석결과 최대 35 mm  발생하는 것으로 분석되었다. 따라서 지지력의 지속적인 감소 시 추가 변위량이 증가하는 것으로 예측되었다.

현장 지지력 분석결과와 수치해석 결과, 균열분포형태를 고려하여 터널 내 포장부 변위억제 대책으로 다음 Fig. 20과 같이 원지반에 대한 지반보강과 마이크로 파일 보강이 적정한 것으로 분석되었다.

4. 결 론

본 연구는 터널포장부에서 발생한 균열에 대한 원인분석을 위하여 시추조사, FWD, GPR등의 조사방법을 적용하여 분석하였으며 본 연구에서 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.

1.시추조사 결과, 조사된 포장하부에는 점토가 분포하고 있고 낮은 투수계수로 인하여 지하수의 흐름을 막고 수분 함유 시 팽창성으로 인하여 상부 포장에 영향을 줄 수 있는 것으로 분석되었다. FWD, GPR 분석결과, 하부지반의 국부적인 지지력 부족으로 포장부에 균열이 발생한 것으로 조사되었다.

2.터널 포장 콘크리트 슬래브의 처짐량을 평가하는 ISM지수를 이용하여 균열구간 전후 구간의 처짐량 분석한 결과, 파손구간은 동하중 87~110 kN에서 ISM값은 균열부 슬래브가 건전부 슬래브에 비해 평균 21%의 현저히 낮은 값을 보이고 있는 것으로 분석되었다.

3.본 연구대상 터널은 시공시와 준공된 이후에도 다량의 지하수가 유출되고 있으며 시공 시에는 토사 용출 등의 사유로 공사가 중단된 사례가 있다. 이와 같이 포장 상부로 지하수가 용출되지는 않으나 계절적인 요인으로 지하수위가 변동되면서 포장의 융기와 파괴를 발생시킨 것으로 분석되었다.

4.슬래브 하부 동적지지력 산정결과, 파손구간의 지지력은 대부분이 150 pci 이하의 낮은 지지력을 보이고 있는 것으로 조사되었다.

5.터널 내 포장부 균열 발생구간에 대하여 지지력 조사결과와 지하수 유출조건 등을 고려할 때 포장하부 점토지반으로 인하여 장기간 지지력 감소가 예상되므로 강성확보를 위하여 점토를 제거하고 마이크로 파일 및 지반주입보강이 적정한 것으로 분석되었다.