1. 서 론

EPB 쉴드 TBM은 밀폐형 쉴드 TBM의 한 종류로, 현재 가장 널리 사용되는 기계화 터널 공법 중 하나이다(Bavasso et al., 2020). EPB 쉴드 TBM은 일반적으로 점성토 지반에 적합하지만, 쏘일 컨디셔닝(soil conditioning)을 통해 TBM 적용 범위를 확장할 수 있다. 쏘일 컨디셔닝은 커터헤드 전방, TBM 챔버와 스크류 컨베이어 내부에 폼, 폴리머와 같은 첨가제를 주입하여 굴착 대상 또는 굴착된 흙의 물성을 개선시키는 기법이다. 쏘일 컨디셔닝을 통해 EPB 쉴드 TBM 적용 범위의 확장뿐만 아니라 균질한 굴진면압 생성을 통한 압력 변동 감소, 전단강도 감소, 커터의 마모량 최소화, 굴착토 투수계수 감소, 스크류 컨베이어 내 연속적인 배토, 작업성 향상 등 다양한 효과를 기대할 수 있다(Quebaud et al., 1998; Jancsecz et al., 1999; Peila et al., 2007; Zhou and Yang, 2020; Avunduk et al., 2021). 오늘날까지도 EPB 쉴드 TBM을 적용한 터널 시공 시, 쏘일 컨디셔닝 설계는 시행착오법을 통한 경험적인 방법으로 이루어졌으나, 최근에는 설계 단계에서부터 컨디셔닝된 흙의 특성에 대한 실험적인 평가를 요구함에 따라 쏘일 컨디셔닝과 관련한 연구가 폭넓게 진행되고 있다(Peila, 2014).

Langmaack (2000)은 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성을 평가하는 유용한 방법으로 콘크리트 분야에서 주로 활용되는 슬럼프 시험을 제안하였는데, 특히 유동학적 특성 중 작업성을 평가하기 위해 국내 ‧ 외에서 슬럼프 시험을 활용하는 연구가 진행되어 왔다. 국내에서는 Kim et al. (2019)에 의해 화강 풍화토 시료에 대하여 EFNARC (2005)에서 제안한 최적 작업성을 가지는 슬럼프 값 범위에 해당하는 폼 주입 조건을 도출하였으며, 이를 기반으로 투수계수 측정시험과 압축성 시험을 수행하여 폼 컨디셔닝에 따른 효과들을 검증하였다. 해외의 경우, Peila et al. (2009)은 인공 사질토 시료를 조성하여 슬럼프 시험 결과를 통해 컨디셔닝된 흙이 TBM 굴진에 적합한 거동을 보이는 슬럼프 값의 범위를 도출하였고, 폼 주입량과 슬럼프 값이 정비례관계에 있음을 확인하였다. 또한 컨디셔닝된 흙에 대한 최적 슬럼프 값의 범위를 150~200 mm로 제안하였다. Vinai et al. (2008)은 모래 시료를 이용하여 슬럼프 시험과 스크류 컨베이어 장비 모사 시험을 통해 시간에 따라 스크류 컨베이어 내부의 압력 구배를 확인하였으며, 이를 통해 최적 슬럼프 값을 갖는 조건에서 그 압력이 일정하게 감소함으로써 연속적인 배토가 가능함을 확인하였다.

그러나 슬럼프 시험은 대기압 상태에서 수행되기 때문에 챔버 내 구속 압력 조건에서 컨디셔닝된 흙의 거동을 정확하게 파악하기 어렵다. 이에 따라 해외에서는 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성을 정량적으로 파악하기 위해 유동계(rheometer)를 적용한 연구가 진행되어 왔다. Karmakar and Kushwaha (2007)는 직경 5.08 cm, 높이 14.3 cm의 베인(vane) 형상 유동계를 개발하여 점토 롬(clay loam) 시료에 대한 베인 전단시험을 수행하였다. 이를 통해 함수비, 구속 압력에 따른 점도, 항복응력과 더불어 흙의 다짐으로 인한 점도와 항복응력의 변화를 확인하였다. Zumsteg et al. (2009)은 직경 20 mm, 높이 40 mm의 베인이 적용된 유동계를 이용하여 카올리나이트(kaolinite)에 대하여 첨가제 투입 유무에 따른 베인 전단시험을 수행하였다. 시료를 동다짐(dynamic compaction)과 진동 다짐(vibration compaction)을 적용하여 달리 조성함으로써 각각의 경우에 대한 베인 회전 각도에 따른 비배수 전단강도를 도출하였다. Messerklinger et al. (2011)은 Zumsteg et al. (2009)이 제안한 시험 장비의 구성 요소 간 마찰력으로 발생하는 문제점을 보완하여 개발한 가압 베인시험 장비를 통해 폼과 폴리머로 컨디셔닝된 흙의 전단강도를 도출하였다. Galli and Thewes (2019)는 슬럼프 시험과 구(sphere) 형상 유동계를 이용한 실내 시험을 통하여 슬럼프 값이 증가할수록 항복응력이 감소하는 관계임을 도출하였고, TBM 챔버 내 굴착토량과 작업성을 예측할 수 있는 구 형상 유동계를 적용한 시스템 설치 가능성을 제안하였다. Hu and Rostami (2021)는 오거(auger) 형상의 유동계를 적용하여 오거 회전 속도에 따른 토크의 변화를 나타냈으며, 함수비와 폼 주입량이 증가할수록 측정 토크는 감소한다는 결과를 도출하였다. 이처럼 해외에서는 다양한 형태의 유동계를 개발하여 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성을 정량적으로 평가하기 위한 연구가 진행되고 있으나, 국내에서는 해외에 비하여 관련 연구가 매우 부족한 상황이다.

본 논문에서는 TBM 챔버 내 압력 상태를 모사할 수 있는 베인 형상의 유동계인 실내 가압 베인시험 장비를 개발하여 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성을 정량적으로 평가할 수 있도록 하였다. 인공 사질토 지반을 대상으로 쏘일 컨디셔닝 후 슬럼프 시험을 수행하여 작업성을 평가하고 동시에 동일한 컨디셔닝 조건에 대해 실내 가압 베인시험을 수행하여 첨두응력과 항복응력을 도출함으로써 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성을 파악하였다. 최종적으로 시험 결과와 기존 연구들을 통해 분석된 주입변수에 따른 유동학적 특성의 경향을 비교하여 실내 가압 베인시험 장비의 적용성을 검토하였다.

2. 이론적 배경

2.1 쏘일 컨디셔닝을 위한 첨가제 종류와 주입변수

일반적으로 EPB 쉴드 TBM의 굴진 성능을 향상시키기 위해서는 첨가제를 주입하여 지반의 물성을 개선시키는 쏘일 컨디셔닝이 필요하다. 쏘일 컨디셔닝을 위해 지반에 주입하는 첨가제의 종류는 폼(foam), 폴리머(polymer), 벤토나이트 슬러리(bentonite slurry) 등이 있다. 본 연구에서는 쏘일 컨디셔닝을 위한 첨가제로 폼과 폴리머를 선정하여 각각의 주입변수를 변화시켜가며 시험을 수행하였다.

폼은 물, 공기, 기포제(foaming agent)로 구성되어 있는 첨가제로, 다른 첨가제들에 비해 저렴하다는 장점을 가지며 EPB 쉴드 TBM을 적용한 터널 시공에서 가장 많이 사용되고 있다. 폼을 구성하는 기포제는 계면활성제(surfactant)의 일종으로, 표면장력을 감소시켜 흙을 유동화 시킬 수 있고 전기적 반발(electrostatic repulsion)을 일으켜 흙 입자를 서로 분리시킬 수 있다(Langmaack, 2000). 기포제를 목표 농도에 맞게 물과 배합하여 폼 수용액을 만들고, 이를 기포 발생 장치(foam generator)에 주입하여 공기와 함께 토출하여 폼을 발생시킬 수 있다. 기포 발생 장치는 관 내에 그리드(grid) 또는 멤브레인(membrane)이 설치된 형태와 입자(granular material)가 충전된 형태가 있으며, 기포 발생 장치의 형태에 따라 발생되는 폼의 성질을 변화시킬 수 있다(Thewes et al., 2012). 입자가 충전된 형태의 기포 발생 장치의 경우, 공기와 폼 수용액의 흐름이 채워진 알갱이와의 충돌로 인해 난류가 형성되어 폼을 발생시킨다(Lee et al., 2022). 폼의 성질 및 주입 조건은 다음과 같은 폼 주입변수로 평가될 수 있다.

여기서, CF (concentration of surfactant agent)는 폼 농축계수로, 물과 기포제의 총 체적(Vl)에 대한 기포제의 체적(Vt) 비율을 나타낸다. FIR (foam injection ratio)은 폼 주입비로, 굴착 예정 지반의 체적(Ves)에 대한 첨가제로써 폼의 체적(Vf) 비율을 나타낸다. FER (foam expansion ratio)은 폼 팽창비로, 물과 기포제의 총 체적(Vl)에 대한 첨가제로써 폼의 체적(Vf) 비율을 나타낸다. EFNARC에서는 CF는 0.5~5%, FIR은 30~60%, FER은 5~30로 통상적인 폼 주입변수의 적용 범위를 제시한 바 있다(EFNARC, 2005).

폴리머는 폴리머 원액을 물에 희석시켜 사용하며, 폼의 안정성을 높이고 굴착토의 투수성을 감소시키는 역할을 한다. 폴리머는 큰 수용성으로 인해 물에 녹을 수 있으며, 추가적인 발생 장치가 필요하지 않도록 액체상태로 공급되는 것이 일반적이다. 폴리머 원액을 목표 농도에 맞게 물과 배합한 후 폴리머가 물에 모두 녹을 때까지 교반하여 첨가제용 폴리머를 얻을 수 있다. 투입되는 폴리머의 물성과 주입 조건은 다음과 같은 폴리머 주입변수로 평가될 수 있다.

여기서, CP (concentration of polymer)는 폴리머 농축계수로, 물과 폴리머 원액의 총 체적(Vl)에 대한 폴리머 원액의 체적(Vpc) 비율을 나타낸다. PIR (polymer injection ratio)은 폴리머 주입비로, 굴착 예정 지반의 체적(Ves)에 대한 첨가제로써 폴리머의 체적(Vl) 비율을 나타낸다. CP는 폴리머 제조사에 따라 상이한 범위를 제시하고 있기 때문에 사용하는 제품의 특성에 의존하여 결정하게 되며, PIR은 통상적으로 20% 부근에서 그 값을 결정하도록 제시된 바 있다(Merritt et al., 2003).

2.2 컨디셔닝된 흙의 작업성(workability) 평가

EPB 쉴드 TBM을 사질토 지반에 적용할 때, 첨가제를 투입하지 않은 자연상태의 굴착토를 챔버에 충진하여 굴진하게 되면 유동성이 충분하지 못한 굴착된 사질토는 굴진면에 균일하고 충분한 굴진면압을 가할 수 없다. 따라서 최적의 첨가제 주입 조건을 설계하고 적정량의 첨가제를 투입함으로써 굴착토의 충분한 소성 유동성, 즉 작업성(workability)을 확보하는 것이 필수적이다. 쏘일 컨디셔닝을 통해 굴착토가 고체와 액체의 중간 상태로 소성 유동성을 가지게 되면, 막장면에 균일한 압력을 가할 수 있을 뿐만 아니라 스크류 컨베이어를 통한 연속적인 배토를 가능하게 한다.

슬럼프 시험은 컨디셔닝된 흙의 작업성을 평가하기 위해 가장 널리 적용되는 방법으로, 신속하고 간편하다는 장점으로 실내에서뿐만 아니라 현장에서도 적용되고 있다(Kim et al., 2018). 본 연구에서는 실내 가압 베인 전단시험을 수행하기 전 컨디셔닝된 흙의 작업성 평가를 위해 슬럼프 시험을 수행하였다. 슬럼프 시험은 ASTM C143 (2017) 기준에 따라 수행하였으며, 선행 연구결과를 바탕으로 최적의 작업성을 나타내는 슬럼프 값의 범위는 10~20 cm로 고려하였다(EFNARC, 2005).

2.3 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성 파악

컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성은 첨두응력, 항복응력, 작업성 등으로 파악할 수 있으며, 베인 전단시험을 통해 얻은 토크 데이터를 전단속도, 전단응력과 같은 유동학적 변수로 환산하여 얻은 유동곡선(rheogram)을 기반으로 평가하게 된다(Lee, 2021). 본 연구에서는 첨가제의 주입변수를 변화시켜가며 베인 전단시험을 수행한 후 토크 데이터를 통해 유동곡선을 도출하여 컨디셔닝된 흙의 첨두응력과 항복응력을 분석하여 유동학적 특성을 평가하였다.

유동곡선은 유동학적 변수인 전단응력과 전단속도 간의 관계를 나타낸 곡선으로, 베인 전단시험을 통해 도출한 토크 데이터와 시험 장비의 제원, 베인 회전 속도 등을 이용하여 각 유동학적 변수를 산정함으로써 도출된다. 유동곡선은 상향곡선(up-curve), 하향곡선(down-curve)로 구분할 수 있으며(Ghica et al., 2016), 베인 전단시험에 있어 상향곡선은 베인 회전 속도가 증가하는 구간, 하향곡선은 베인 회전 속도가 감소하는 구간에서 전단응력과 전단속도 간의 관계를 나타낸다.

유동곡선을 구성하는 전단응력에 대한 관계식을 산정하기 위해서는 2가지 가정 사항이 필요하다. 먼저 베인 전단시험 종료 후 파괴면의 형태가 베인과 같은 원통형이라는 점과, 다른 하나는 파괴면의 상, 하단과 측면에 균등한 전단응력이 가해진다는 점이다. 이러한 가정 사항을 기반으로 전단응력을 도출하는 식은 다음과 같다(Karmakar and Kushwaha, 2007).

여기서, τ는 전단응력(Pa), Tm은 측정된 토크 데이터(N ‧ m), Dv은 베인 직경(m), Hv는 베인 높이(m)이다. 이 때 베인 직경에 대한 높이의 비(형상비)를 2로 결정하면(ASTM D4648, 2016), 다음과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.

유동곡선을 구성하는 또 다른 요소인 전단속도에 대한 관계식을 산정하기 위해 베인이 상 ‧ 하부 경계면이 없는 원통형으로 회전한다고 가정하였다. 이 때 전단속도를 도출하는 식은 다음과 같다(Meng et al., 2011).

여기서, γ˙는 전단속도(1/s), Dv은 베인 직경(m), Dc는 챔버 내경(m), ωvane은 베인 회전 속도(rpm)이다.

3. 실내 가압 베인시험 장비 개발

컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성은 연구자가 자체적으로 개발한 장비나 슬럼프 시험을 통해 파악하는 것이 대부분이다. 그 중 컨디셔닝된 흙의 작업성을 평가할 수 있는 슬럼프 시험은 시험절차가 간편하면서도 시험 소요시간이 짧은 장점으로 인하여 현재 TBM 현장에서 널리 쓰이는 방법이다(Peila et al., 2009). 그러나 슬럼프 시험은 EPB 쉴드 TBM 내부의 압력 조건 구현이 불가능하고 시험자의 숙련도에 따라 결과가 달라지는 한계를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 EPB 쉴드 TBM 챔버 내부 압력 조건을 모사할 수 있고, 시험자에 의한 영향 요인을 배제할 수 있는 실내 가압 베인시험 장치를 개발하여 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성 평가의 신뢰성을 향상시키고자 하였다. 개발한 장비는 ASTM D4648 (2016)에서 제안하는 규격을 참조하여 장비의 구성 요소와 제원을 결정하였다.

3.1 시험 장비 구성

실내 가압 베인시험 장비는 챔버 내부에 컨디셔닝된 흙을 조성한 후 챔버 덮개를 내리면서 조성된 시료를 압축함으로써 구속 압력을 모사할 수 있게 구성하였다. 챔버 상부 및 하부에는 압력계와 토압계를 설치하여 덮개의 하강에 따른 구속 압력을 측정할 수 있도록 하였다. 이에 따라 특정 구속 압력 조건에서 베인을 회전시켜 시료를 전단 시킴으로써 가압조건에서 컨디셔닝된 흙의 유동학적 물성을 확인할 수 있다. 제작한 실내 가압 베인시험 장비의 전경은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Photograph of laboratory pressurized vane test apparatus

실내 가압 베인시험 장비는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 컨트롤 박스, 토크 센서, 베인, 챔버로 구성되어 있다. 컨트롤 박스는 장비 최상단에 위치하고 있으며, 컨트롤 박스의 계기판을 통해 시험 진행 중 발생되는 토크 데이터와 챔버 내부 구속 압력을 실시간으로 확인이 가능하다. 컨트롤 박스와 챔버 사이에는 시험 시 토크를 측정하는 토크 센서와 챔버 덮개의 상하 이동을 조절할 수 있는 2개의 핸들이 위치하고 있다. 해당 토크 센서로 측정할 수 있는 최대 토크는 10 N ‧ m이다. 베인은 ASTM D4648 (2016)에서 제안하는 높이, 직경의 비가 2:1인 베인 형태에 따라 베인 높이는 8 cm, 직경은 4 cm 크기로 4개의 회전 날개가 달려 있는 십(十)자형으로 제작하였다. 챔버는 EPB 쉴드 TBM의 챔버를 모사하는 것으로 원통형의 강재로 제작되었으며, 챔버 직경은 20 cm, 높이는 35 cm이다. 또한 챔버 덮개 하강 과정에서 챔버 내부에 존재할 수 있는 잔류 공기를 배출하기 위해 챔버 덮개에 공기 밸브를 설치하였다. 컨디셔닝된 흙을 챔버에 조성하고 덮개를 하강시키는 동안 공기 밸브를 열어 두어 잔류 공기가 제거되도록 하며, 원하는 구속 압력에 도달하게 되면 밸브를 잠근 후 실내 가압 베인시험을 수행하게 된다. 챔버 덮개를 통해 구현할 수 있는 최대 구속 압력은 500 kPa이다.

Fig. 2.

Components of laboratory pressurized vane test apparatus

3.2 시험 장비 제어 시스템 구성

장비 제어 시스템은 베인 회전 속도, 시간과 같은 시험 조건들을 설정하고 시험의 경과를 확인할 수 있도록 제작하였다. 베인이 일정 속도로 회전하거나, 시나리오 모드를 통해 일정 시간 경과 후에는 회전 속도가 변할 수 있게 설정이 가능하도록 하였다. Fig. 3은 각각 시험 장비 제어 시스템의 실시간 시험 모니터링창과 시험 조건 설정창을 보여준다.

Fig. 3.

PC control system screens

베인 회전 속도를 설정하고 제어하기 위해 장비에 AC 서보모터(servomotor)를 설치하였다. 해당 서보모터로 설정할 수 있는 베인 회전 속도는 ASTM D4648 (2016)에서 제안하는 권장 베인 회전 속도인 60~90°/min (1/6~1/4 rpm)를 크게 상회한다. 따라서 2개의 기어 감속기를 설치하여 ASTM 기준에 맞는 베인 회전 속도를 적용할 수 있도록 하였으며, 장비 제어 시스템을 통해 설정 가능한 베인 회전 속도는 1/60, 1/30, 1/15, 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 3/4 rpm이 된다. 시험 조건 설정이 완료되면 모니터링 창을 통해 시험을 시작할 수 있으며, 시험 시작 후 측정되는 토크와 베인 회전 속도, 시험 경과 시간, 측정된 토크 데이터를 실시간으로 확인할 수 있다.

4. 실내 가압 베인시험 장비 시뮬레이션

4.1 시료 및 첨가제 조건

본 연구에서는 인공 사질토 지반을 대상으로 슬럼프 시험, 실내 가압 베인시험을 수행하여 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성을 도출하였다. 시료는 Maidl (1995)이 제안한 EPB 쉴드 TBM을 적용할 수 있는 입도 범위 내에 해당하도록 인조 규사 70%와 일라이트 30%를 혼합하여 인공적으로 조성하였다. 통일분류법에 의해 시험시료는 SM으로 분류되며, 비중은 2.68로 나타나고, 첨가제로 컨디셔닝된 흙의 목표 단위중량은 1.8 t/m³으로 설정하였다. 시료의 입도분포곡선은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Grain size distribution curve of artificial sand specimen

첨가제인 기포제와 폴리머 원액은 MAK Tech 사에서 제작한 EPB 쉴드 TBM 공법용 MAK FOAM과 SUPER MUD를 각각 사용하였다. 폴리머는 목적에 따라 다양한 종류가 존재하는데, 본 연구에서 적용된 SUPER MUD는 물을 흡수하고, 외력이 작용한 후에도 흡수한 물을 보존하는 보수성(water-binding capacity)이 높아 투수성이 높은 지반에 폼 단독적으로 쏘일 컨디셔닝을 진행하는 것이 적절하지 않은 경우에 적용되며, 다공성의 지반을 사슬 구조(chain structure)로 변화시키고 굴착토의 점착력을 증가시키며 커터헤드에 작용하는 토크를 감소시키는 기능을 한다(Kim et al., 2021). 각 첨가제에 대한 물성은 Table 1과 Table 2에 나타나 있으며, 위의 첨가제들을 사용하여 첨가제로써 폼을 발생시키고, 폴리머 희석 용액을 준비하였다.

쏘일 컨디셔닝에 사용되는 첨가제로써 폼을 발생시키기 위해 폼 발생 장치가 필요하다. 본 연구에서 사용한 폼 발생 장치는 입자가 충전된 형태의 기포 발생 장치로, Fig. 5와 같이 컨테이너, 아크릴 관, 가동 패널로 구성되어 있다. 컨테이너는 폼 수용액(물과 기포제를 배합한 용액)과 공기를 공급하는 역할을 한다. 피스톤 형식으로 제작되어 폼 수용액 공급 유량을 설정하면 피스톤이 일정 속도로 하강하며 일정한 유량의 폼 수용액을 공급할 수 있도록 하였다. 또한 에어 서보컨트롤러(air servo-controller)를 설치하여 일정한 공기량을 공급할 수 있도록 하여 설정한 수용액, 공기 유량이 일정하게 아크릴 관으로 이동할 수 있도록 하였다. 아크릴 관 내부에는 직경 2 mm와 3 mm의 쇠구슬(입자)이 1:1의 질량비로 충전되어 있다. 컨테이너로부터 공급된 폼 수용액과 공기는 아크릴 관을 통과하는 동안 그 흐름이 충전되어 있는 구슬과의 충돌하여 유체 간의 속도 차이를 발생시키고 난류를 형성시키며 기포, 즉 폼을 발생시킨다.

Fig. 5.

Configuration of foam generator

폴리머는 별도의 발생 장치를 필요로 하지 않으며, 폴리머 농축계수에 따라 물과 함께 희석, 배합하여 생성한다. 본 연구에서는 폴리머 희석을 위해 투입되는 물과 폴리머의 양을 산출하고, 정량의 물과 폴리머를 투입한 후 소형 교반기를 이용하여 10분간 교반하여 폴리머를 준비하였다.

예비 슬럼프 시험과 실내 가압 베인시험 모두 Table 3과 같은 Case로 구성하여 수행하였으며, Case 1~3은 폼으로 컨디셔닝된 흙, Case 4~6은 폼과 폴리머로 컨디셔닝된 흙에 대한 Case를 나타낸다. 선정된 Case들은 인공 사질토 시료에 대해 EFNARC (2005)가 제안한 최적의 작업성을 나타내는 10~20 cm의 슬럼프 값을 기준으로 구성하였다.

폼에 의해 컨디셔닝된 흙에 대한 시험은 일반적으로 대기압 조건에서 손이나 교반기를 이용하여 흙와 폼을 교반하여 시료를 조성하게 된다. 그러나, 폼은 시간에 따라 물성(점성, 기포의 크기, 두께 등)이 변하는 특징을 가지고 있어 시료의 교반 시간을 신중히 고려하여 시험해야 한다(Mori, 2016). 또한 컨디셔닝 과정에서 시료에 가해지는 에너지에 따라 목표 첨가제 주입변수와 교반 후 주입변수에 차이가 발생할 수 있는데, 교반 중 공기가 시료에 추가적으로 투입되면서 의도하지 않은 폼 주입변수(FIR, FER) 값을 가진 시료가 조성될 수 있다(Shin, 2020). 따라서, 본 연구에서는 시간에 따라 폼의 체적이 감소한다는 점을 고려하고 교반 중 공기의 유입을 최소화하여 목표 첨가제 주입변수를 구현하기 위해 교반기를 이용하여 2분 간 교반을 하여 동일한 시간과 에너지를 투입함으로써 시료를 조성하였다.

4.2 예비 슬럼프 시험 결과

예비 슬럼프 시험은 EFNARC (2005)에서 제안한 최적의 작업성을 갖는 슬럼프 값 범위에 해당하는 첨가제 주입 조건을 확인하고, 컨디셔닝된 시료가 적절한 작업성을 확보하여 실내 가압 베인시험 수행 시, 장비에 걸릴 수 있는 과부하를 배제하기 위해 수행하였다. 슬럼프 시험은 ASTM C143 (2017)에 제시된 방법으로 수행하였다. 슬럼프 시험 결과는 Fig. 6과 Fig. 7에 나타냈다. Fig. 6은 컨디셔닝된 시료에 대한 슬럼프 시험결과 사진이며, Fig. 7은 FIR과 PIR에 따른 슬럼프 값의 경향을 나타낸다.

Fig. 6.

Slump test results at different additive injection conditions

Fig. 7.

Slump values with different additive injections

함수비 18% 조건에서 FIR을 5%부터 15%까지 5%씩 증가시키며 주입하였을 때 모든 Case에서 EFNARC (2005)가 제안한 최적의 작업성을 나타내는 슬럼프 값의 범위를 만족시켰고, FIR이 커짐에 따라 슬럼프 값도 커지는 경향을 나타냈다. 함수비 18%, FIR 10%로 하고 CP는 0.2%, PIR을 10%에서 30%까지 10%씩 증가시키며 주입하였을 때 PIR이 10%인 경우만 최적 슬럼프 값 범위를 만족시켰으며, PIR이 커짐에 따라 슬럼프 값은 작아지는 경향을 나타냈다.

4.3 실내 가압 베인시험 방법

본 연구에서는 실내 가압 베인시험을 다음의 3단계 과정으로 수행하였다.

• 조성한 시료에 대하여 각 Case의 주입 조건에 맞게 쏘일 컨디셔닝을 진행한다.

• 컨디셔닝된 시료를 실내 가압 베인시험 장비의 챔버에 조성한다.

• 구속 압력 모사 후 시나리오 모드에 따라 실내 가압 베인시험 장비를 가동한다.

먼저, 본 연구에서 목표로 한 인공 사질토 시료를 조성하고 진행하고자 하는 Case의 첨가제 주입 조건에 따라 첨가제를 준비한 다음, 시료에 첨가제를 주입하여 교반함으로써 쏘일 컨디셔닝을 진행하였다. 쏘일 컨디셔닝이 완료되면 컨디셔닝된 시료를 실내 가압 베인시험 장비의 챔버 내에 조성하였다. 다음으로 챔버 덮개를 하강시킴으로써 TBM 챔버 내 컨디셔닝된 시료를 가압하여 구속 압력 조건을 모사하게 되는데, 이 때 목표 구속 압력에 도달한 후 구속 압력의 변동을 최소화하도록 일정 시간 안정화를 진행해야 한다. 이러한 안정화 과정은 컨디셔닝된 시료가 베인 근방에 고르게 채워지게 하기 위해서 진행되며, 시간 경과에 따라 체적이 감소하는 폼의 특성을 고려하여 약 2분 간 신속히 수행되었다. 구속 압력 조건 모사가 완료되면 일정 시간 간격에 따라 베인 회전 속도가 변화하는 시나리오 모드 조건에 따라 시험 장비를 가동시켜 실내 가압 베인시험을 진행하였다.

본 연구에서는 모든 시험 Case에서 200 kPa의 구속압력 조건에서 시험을 수행하였다. 이는 단위중량이 약 1.8 t/m³이고 정지토압계수가 0.5인 사질토 지반의 심도 20 m 지점을 굴착하는 상황을 가정하고 해당 심도의 정지수평토압으로 챔버압을 산정한 값이다.

ASTM D4648 (2016)은 장비에 조성한 시료가 파괴에 도달하는데 2~3분이 걸릴 수 있도록 베인 회전 속도의 조합을 결정하도록 제안하고 있다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 8과 같이 15개 단계로 구성되는 시나리오 모드를 이용하여 시료가 시험 시작 후 2~3분 경과 시 파괴에 도달하도록 하였다. 베인 회전 속도가 증가하는 단계에서 베인의 총 회전 각도가 360°가 되도록 단계 시간 간격을 30초로 결정하여 시험을 수행하였다. 15개의 단계는 7개의 전단 속도 증가 단계, 1개의 최대 전단 속도 단계, 7개의 전단 속도 감소 단계로 구성된다.

Fig. 8.

Shear rate over time for scenario mode

4.4 실내 가압 베인시험 결과

폼으로 컨디셔닝된 시료에 해당하는 Case 1~3의 시간에 따른 토크 데이터는 Fig. 9에 나타냈으며, 이를 통해 도출한 FIR에 따른 유동곡선과 첨두응력 및 항복응력 추이는 Fig. 10에 비교하였다. FIR이 커질수록 첨두응력과 항복응력이 감소하는 것을 알 수 있다. 예비 슬럼프 시험의 결과와 연계하면 FIR이 커질수록 슬럼프 값이 증가하면서 작업성이 향상되며 이에 따라 첨두응력과 항복응력 모두 감소함을 확인하였다.

Fig. 9.

Torque data for foam conditioned soil

Fig. 10.

Results of laboratory pressurized vane test for foam conditioned soil

인공 사질토 시료에 폼을 주입하게 되면 시료가 고체와 액체의 중간 상태로 변화되는 소성 유동화(plastic fluidization)가 발생하기 때문에 슬럼프 값이 증가하고 작업성이 향상된다. 컨디셔닝 대상 시료의 체적이 일정할 때, FIR이 커질수록 시료에 주입되는 폼 체적 또한 커지게 되므로 시료가 가지는 소성 유동성이 증가하여 작업성 향상과 더불어 슬럼프 값이 증가하게 된다. 또한 폼 주입 시 정전기적 반발 효과로 인해 흙 입자 간의 분리가 발생하여 마찰이 감소하게 되면 컨디셔닝된 시료의 전단저항이 감소하게 되어 베인 전단시험 시 측정되는 토크 데이터와 이를 통해 도출할 수 있는 전단응력 또한 감소하게 된다. 결과적으로 FIR이 커질수록 슬럼프 값이 증가하며 작업성이 향상되고, 토크는 감소하여 첨두응력과 항복응력 모두 감소하는 시험 결과가 나타난다. 또한 폼으로 컨디셔닝된 흙에 대한 Case 1~3은 슬럼프 시험 결과 모두 EFNARC (2005)에서 제안한 최적의 작업성을 확보할 수 있는 슬럼프 값 범위 내에 해당하였으며, FIR이 10%인 Case 2에서 해당 범위의 중간값과 가장 가까운 결과가 나타난 바 있다. Fig. 10(b)의 결과에 따라 FIR이 10% 전후일 때 첨두응력과 항복응력 모두 감소세가 둔화되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 FIR 10%가 폼 주입량 대비 충분한 TBM 부하 감소를 유도할 수 있는 FIR임을 의미한다(Lee et al., 2019).

폼과 폴리머로 컨디셔닝된 시료에 해당하는 Case 4~6의 시간에 따른 토크 데이터는 Fig. 11에 나타냈으며, 이를 통해 도출한 PIR에 따른 유동곡선과 첨두응력 및 항복응력 추이는 Fig. 12에 비교하였다. 폼으로 컨디셔닝된 흙의 시험 결과와 반대로 PIR이 커질수록 첨두응력과 항복응력이 증가하는 경향을 볼 수 있다. 예비 슬럼프 시험과 실내 가압 베인시험 결과를 통해 PIR이 커질수록 슬럼프 값이 감소하며 작업성이 저하되고 이에 따라 첨두응력과 항복응력이 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 11.

Torque data for foam-polymer conditioned soil

Fig. 12.

Results of laboratory pressurized vane test for foam-polymer conditioned soil

폴리머는 보수성이 높은 첨가제이다. 이러한 성질로 인해 폴리머를 폼과 함께 주입하면 컨디셔닝된 시료는 건조하게 변화하고 투수성은 감소하며 점착력은 증가하는 효과를 발생시킨다. 컨디셔닝 대상 시료의 체적과 폼 주입 조건이 일정할 때, PIR이 커질수록 시료에 주입되는 폴리머의 체적 또한 커지게 된다. 이때, 컨디셔닝된 시료에 존재하던 물이 폴리머에 의해 흡수되고 점착력이 커지면서 슬럼프 값은 감소하여 결국에는 흙 입자 사이의 점착력과 마찰각에 의해 결정되는 전단응력이 증가하였다고 판단된다. 최종적으로 PIR이 커질수록 슬럼프 값이 감소하며 작업성이 저하되고, 토크는 증가하여 첨두응력과 항복응력 모두 증가하는 결과를 보여준다. 폼, 폴리머로 컨디셔닝된 흙에 대한 Case 4~6 중 슬럼프 시험 결과가 EFNARC (2005)에서 제안한 최적의 작업성을 확보할 수 있는 슬럼프 값 범위 내에 해당한 Case는 PIR 10%의 Case 4가 유일하게 나타났다. Fig. 12(b)의 결과에 따라 PIR이 10%일 때 가장 작은 첨두응력과 항복응력을 나타내고 있으나, 폴리머의 투수성 저감, 점착력 증가를 통한 다공성 지반의 사슬 구조화 효과를 고려할 때 PIR 20% 전후에서 첨두응력과 항복응력 모두 증가세가 둔화됨에 따라 위와 같은 효과가 PIR 20% 전후에서 충분히 발휘될 것으로 판단된다.

각 Case에 대한 슬럼프 시험과 실내 가압 베인시험 결과를 종합한 결과는 Table 4와 같다. 첨두응력의 경우, 슬럼프 값이 작아질수록 첨두응력이 크게 나타나고 이는 작업성의 둔화와 상응한다. 반면, 항복응력의 경우, PIR이 30% 경우를 제외하고 폴리머를 주입하지 않은 조건보다 항복응력이 작게 평가되었다. 쏘일 컨디셔닝을 위해 첨가제가 주입되는 TBM 챔버와 스크류 컨베이어 내부는 연속적인 전단 및 흐름 상태에서 잔류 토크를 통해 산정되는 항복응력을 고려할 수 있기 때문에(Meng et al., 2011), 슬럼프 값이 감소하였음에도 항복응력이 더 작게 도출된 PIR 10%와 20%의 경우 폴리머의 토크 및 전단응력 감소 효과가 충분히 발휘된 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 EPB 쉴드 TBM 챔버 내 압력 상태를 모사하여 컨디셔닝된 흙의 유동학적 특성을 정량적으로 파악할 수 있는 실내 가압 베인시험 장비를 개발하였고 인공 사질토 지반을 대상으로 하여 첨가제 주입 조건을 변화시키며 예비 슬럼프 시험과 개발된 장비를 통한 실내 가압 베인시험을 수행하였다. 쏘일 컨디셔닝을 위한 첨가제로는 폼과 폴리머가 고려되었고, 시험은 주입변수 중 첨가제의 주입비를 의미하는 FIR과 PIR을 변화시키며 수행되었다. 실내 가압 베인시험을 통해 취득한 토크 데이터를 통해 유동곡선을 도출하여 각 Case에 대한 첨두응력과 항복응력을 산정하였고 이를 예비 슬럼프 시험 결과와 연계하여 FIR과 PIR에 따른 전단응력의 경향성을 파악하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.

1. 인조 규사 70%, 일라이트 30%로 조성된 인공 사질토 시료를 대상으로 폼으로만 컨디셔닝된 경우에 대해서 함수비는 18%, 폼 주입 조건은 CF 3%, FER 15로 통제하고 FIR을 5%에서 15%까지 5%씩 증가시켜가며 시험결과를 비교하였다. 예비 슬럼프 시험 결과 FIR이 증가할수록 슬럼프 값이 증가함과 동시에 최적의 작업성(workability)을 나타내는 슬럼프 값 범위에 해당하여 작업성이 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 실내 가압 베인시험 결과는 FIR이 증가할수록 최대 토크, 첨두응력, 항복응력 모두 감소하여 작업성이 향상될수록 유동학적 특성 또한 개선되는 경향을 나타냈다.

2. 폼과 폴리머로 컨디셔닝된 인공 사질토 시료(인조 규사 70%, 일라이트 30%)의 함수비는 18%로 고정하고, 폼 주입 조건은 CF 3%, FER 15, FIR 10%로 폴리머 주입 조건은 CP를 0.2%로 통제하면서 PIR을 10%에서 30%까지 10%씩 증가시켜가며 시험을 수행하였다. 예비 슬럼프 시험 결과 PIR이 증가할수록 슬럼프 값이 감소하였고, 실내 가압 베인시험 결과 PIR이 증가할수록 최대 토크, 첨두응력, 항복응력 모두 증가하여 작업성이 저하되는 유동학적 특성을 보였다.

3. 실내 가압 베인시험 장비를 통한 토크 데이터로부터 유동곡선을 도출하여 첨두응력, 항복응력 등의 유동학적 특성을 정량적으로 파악하였다. 예비 슬럼프 시험과 실내 가압 베인시험 결과는 선행 연구에 의해 도출된 슬럼프 값과 전단응력 간의 경향에 상응하였으며, 이를 통해 개발된 실내 가압 베인시험 장비의 적용성을 확인하였다. 향후 EPB 쉴드 TBM 시공 현장의 지반 조건을 대상으로 실내 가압 베인시험을 진행하여, 이를 통해 도출한 데이터와 소요 토크와 같은 TBM 데이터의 경향 분석 및 비교 등을 통해 시험 장비의 활용성과 신뢰성을 제고할 수 있을 것으로 보인다.