1. 서론
2. 터널 콘크리트 라이닝의 균열 발생 사례 분석
3. 실험개요
3.1 사용재료 및 콘크리트 배합
3.2 실험변수 및 실험장치
4. 실험결과 및 고찰
4.1 강섬유보강 콘크리트의 기초물성
4.2 강섬유보강 콘크리트 라이닝의 균열 특성
4.3 강섬유보강 콘크리트 라이닝의 특성
5. 결론
1. 서론
터널구조물은 대량물류의 신속한 수송 및 전 국토의 효율적인 이용을 통한 지역간의 균형 있는 발전 등 교통수단으로서의 역할을 담당하게 되므로, 전 국토의 약 70%가 산악지대인 우리나라의 실정에서는 국가경제력의 급성장과 생활수준 향상으로 인한 각종 사회 간접자본의 확충에 따라 터널시설의 건설은 더욱 가속화될 것으로 예상된다.
현재 국내에서 수행되는 NATM 터널공법의 설계시 대부분 1차 지보를 영구 구조물로 간주하고 있으며, 따라서 터널은 어떠한 형태로든 1차 지보재에 의해 안정되고 내부 콘크리트 라이닝은 터널의 구조적 기능보다는 부수적 기능 유지를 목적으로 하기 때문에 배수형 터널에서는 자중만 견딜 수 있는 구조로 설계된다(김영근 등, 1997).
그러나 최근 노후화 된 터널의 콘크리트 라이닝에서 발생하는 심각한 역학적 균열에 대한 문제가 제기되면서 터널의 안정성을 유지하는 최종 지보 수단인 구조재로 고려되고 있다. 콘크리트 라이닝 천단부의 종방향 균열 발생은 콘크리트 시공법과 관계가 있는 것으로 판단되고, 콘크리트 라이닝을 타설하기 위해서는 강재 거푸집을 설치하고 천단에서 콘크리트를 펌핑하여 자중에 의하여 측벽 쪽으로 유동시키며, 천단부는 마지막으로 콘크리트가 타설 된다. 이 때 천단부에 배면 공동이 발생할 가능성이 높으며, 또한 콘크리트 라이닝의 두께가 부족하게 되는 경우가 발생되고 있다(이송 등, 2003).
따라서 본 연구에서는 터널 콘크리트 라이닝 균열의 원인으로서 일반적으로 받아들여지고 있는 사항에 대해서 좀 더 구체화시키기 위해 NATM 터널공법으로 시공되어진 몇몇 도로터널들에 대하여 상부의 지형에 따른 균열 상태와 콘크리트 라이닝의 두께부족과 품질저하에 대하여 분석하였다. 그리고 콘크리트 라이닝 천단부의 종방향 균열 방지를 위한 일환으로 천단부 일부를 강섬유보강 콘크리트를 사용하여 콘크리트 라이닝 천단부의 균열 저감을 평가하고, 또한 터널 콘크리트 라이닝의 변형 및 역학적 특성을 분석하기 위하여 파괴하중과 처짐에 대하여 분석하였다.
2. 터널 콘크리트 라이닝의 균열 발생 사례 분석
NATM 터널공법으로 시공된 도로터널 5개를 선정하여 콘크리트 라이닝 균열의 원인을 지형(얕은 터널), 콘크리트 라니닝의 두께부족, 배면 공동 및 콘크리트 품질저하로 분류하고 이에 대한 영향을 분석하였다. 한편, 조사된 터널은 여러 균열 발생원인의 패턴을 비교하기에 적합하도록 하기 위해서 단면 형상과 폭이 유사한 터널을 선정하였다. 표 1은 조사된 터널 콘크리트 라이닝의 균열 원인에 따른 균열 발생 사례 분석을 나타낸 것이다.
표 1. 콘크리트 라이닝의 균열 발생 사례 분석 | ||||
구 분 | 균열발생빈도(%) | |||
종방향 | 종․횡방향 | 횡방향 | ||
지형 | 평지 | 66.7 | 26.7 | 6.6 |
편경사 | 67.6 | 29.7 | 2.7 | |
계곡부 | 20.0 | 80.0 | 0.0 | |
능선부 | 20.0 | 80.0 | 0.0 | |
라이닝 두께부족 | 54.0 | 41.6 | 4.4 | |
배면공동 | 81.0 | 19.0 | 0.0 | |
콘크리트 품질저하 | 72.4 | 27.6 | 0.0 | |
이 표에 의하면, 분류된 모든 경우에 대해서 종방향 균열이 20～80% 내외이고, 종방향 균열에 횡방향 균열이 겹쳐 나오는 현상을 보이는 것이 20～80%로서 대부분의 균열이 종방향 균열을 중심으로 중점적으로 발생하고 있었다. 특히 위의 두 가지 경우를 하나로 분류하게 된다면 95% 내외로서 콘크리트 라이닝의 균열은 종방향 균열이 지배하는 것으로 나타났다. 횡방향 균열이 단독으로 발생하는 경우는 6% 내외로 조사되었다.
3. 실험개요
3.1 사용재료 및 콘크리트 배합
1) 시멘트
보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 화학성분 및 물리적 성질은 표 2와 같다.
2) 골재
잔골재는 바다모래를 세척하여 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 10mm인 부순돌을 사용하였으며, 골재의 물리적 성질은 표 3과 같다.
3) 강섬유
강섬유의 물리적 성질은 표 4와 같다.
4) 콘크리트 배합
설계기준강도 24MPa인 콘크리트를 사용하였으며, 콘크리트의 배합표는 표 5와 같다.
표 5. 콘크리트 배합표 | ||||||||||
Gmax (mm) | Slump (mm) | Air (%) | W/C (%) | S/a (%) | Unit weight(kg/m3) | Ad (C×%) | ||||
W | C | S | G | |||||||
10 | 120 | 4.5±1.5 | 52.3 | 48.4 | 184 | 352 | 833 | 891 | 0.86 | |
| ||||||||||
그림 1. 콘크리트 라이닝 모형 시험체 천단부의 시공 방법 및 두께 변화 | ||||||||||
|
| |||||||||
사진 1. 라이닝 시험체 강재 거푸집 | 사진 2. 콘크리트가 타설 장면 | |||||||||
3.2 실험변수 및 실험장치
1) 시험체 명칭 : A - B - C
여기서, A : 시험체 종류, B : 강섬유 혼입률, C : 콘크리트 라이닝의 천단부 두께 감소율
① 시험체 종류 : C(Compression, 압축), T(Ten-sile, 인장) L(Lining, 콘크리트 라이닝 모형)
② 강섬유의 혼입률 : 콘크리트 1m3당 강섬유의 용적 함유율(%)
③ 콘크리트 라이닝의 천단부 두께 감소율 : 콘크리트 라이닝 두께의 0, 20, 40%
2) 터널 콘크리트 라이닝 모형 시험체의 시공조건
터널굴착 시 발파로 인한 여굴량 및 미굴량의 과다로 인해 무근구간 콘크리트 라이닝의 부재 두께가 부분적으로 설계보다 두꺼워지거나 얇아지는 경우와 배면공동 현상을 고려하기 위하여 콘크리트 라이닝 모형 시험체의 천단부 두께를 그림 1과 같이 3단계로 제작하였다.
콘크리트 라이닝의 축소 모형 시험체를 제작하기 위하여 60mm 두께로 된 강재 거푸집을 제작하였으며, 강재 거푸집의 외부 반경은 콘크리트 라이닝의 축소 모형을 고려하여 300mm로 하였다. 사진 1은 본 실험을 위하여 제작된 라이닝 거푸집의 형상이며, 거푸집에 시험용 콘크리트가 타설 된 상태는 사진 2에 나타내었다.
3) 하중재하 방법
본 연구에서는 현장조건에 적합한 재하시험을 시도하기 위하여 여러 가지 시험장치에 대한 예비시험을 수행하였다. 즉, 라이닝의 주변 토사 및 암반에 의한 균일 분포하중의 모사를 위하여 사진 3과 같이 시험용 틀 내부에 균일한 직경의 쇠구슬을 충전한 후 간접하중재하 방법을 채택하였다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1 강섬유보강 콘크리트의 기초물성
1) 압축강도
설계기준강도(fck)가 24MPa인 콘크리트에 강섬유를 콘크리트의 체적의 0.0, 0.5 및 1.0%로 달리하여 제조한 콘크리트의 압축강도를 각 재령별로 측정하여 정리한 것이 그림 2이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 재령 28일에서 C-0.0, C-0.5 및 C-1.0 콘크리트의 압축강도는 각각 24.5, 25.1 및 26.9MPa로 설계기준강도보다 큰 값을 나타내었다. 또한, 강섬유 혼입률이 증가할수록 콘크리트의 압축강도는 조금씩 증가하는 경향을 나타내었다.
일반적으로 강섬유보강 콘크리트는 다른 하중을 받을 때보다 압축력을 받는 경우에 압축강도의 평균적인 증가는 상대적으로 적다고 한다. 그러나 압축응력 받는 콘크리트 내의 강섬유는 연성, 에너지 흡수능력, 최대 압축응력시의 변형도는 일반콘크리트에 비교하여 크게 증가시키며, 이는 콘크리트 내 강섬유에 의한 미세균열 제어작용과 구속효과에 기인된다고 사료된다(심종성과 이차돈, 1996).
2) 인장강도
그림 3은 강섬유 혼입률을 콘크리트 체적의 0.0, 0.5 및 1.0%로 하여 제조한 강섬유보강 콘크리트의 인장강도를 재령별 측정한 결과를 정리한 것이다. 이 그림에서 C-0.0, C-0.5 및 C-1.0 콘크리트의 인장강도는 각각 2.0, 2.3 및 2.6MPa의 결과를 나타내었으며, 강섬유를 0.5 및 1.0% 혼입한 시험체의 인장강도는 강섬유를 혼입하지 않은 콘크리트보다 각각 15 및 30%가 증가하였음을 알 수 있었다.
이러한 결과는 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라 단위 면적당 강섬유의 수가 증가하며 이로 인하여 단면 내 균열 확산이 제어되어 강섬유보강 콘크리트의 인장강도와 최대 인장응력 시의 변형도 및 연성이 증가하였다고 판단된다(전찬기, 1992).
4.2 강섬유보강 콘크리트 라이닝의 균열 특성
본 실험에서는 콘크리트 라이닝 모형실험 과정 동안 하중의 증가에 따른 콘크리트 라이닝의 균열 성상을 관측하고 이를 모형도 상에 표시하였다. 사진 4는 실험과정에서 촬영된 모형 시험체의 하중증가에 따른 균열의 진전 및 균열의 형태를 나타낸 것이다.
강섬유보강 콘크리트 내의 강섬유에 의한 균열제어 작용 및 교량 작용은 강섬유보강 콘크리트 내의 강섬유를 둘러싸고 있는 강섬유 주위의 미세구조와 관련이 있다. 인장응력에서 뿐만 아니라 압축응력 하에서도 콘크리트 내의 강섬유는 균열진행을 제어하고 콘크리트를 구속하는 역할을 한다(Kim et al, 1999).
한편, 강섬유보강 콘크리트가 응력을 받아 콘크리트 모체 내에 미세 균열이 발생되는 경우 강섬유 콘크리트 내의 강섬유는 이들 미세 균열들의 방향을 변경시키거나 여러 갈래로 갈라지게 하며, 또한 강섬유를 따라 진행하게 하여 균열의 진행을 억제하며 더 많은 파괴에너지의 흡수를 도모하여 강섬유 콘크리트가 일반 콘크리트보다 더 큰 연성과 강도를 갖는다고 한다(전찬기, 1992).
4.3 강섬유보강 콘크리트 라이닝의 특성
1) 강섬유 혼입률에 대한 분석
터널 콘크리트 라이닝의 천단부에서 발생하는 균열을 저감시킬 목적으로 콘크리트 라이닝 천단부의 20° 범위에 강섬유를 혼입한 강섬유보강 콘크리트 라이닝 모형 시험체를 제조하였다. 한편, 콘크리트 라이닝의 모형 시험체의 두께는 60mm이며, 더불어 천단부 라이닝 두께를 0, 20 및 40% 감소시켜 이들 시험체에 대한 하중-처짐곡선을 나타낸 것이 그림 4, 5 및 6이다.
그림 4는 콘크리트 라이닝 모형 두께를 60mm로 균일하게 하여 천단부 20° 범위에 강섬유를 0.0, 0.5 및 1.0%로 혼입한 시험체의 하중-처짐곡선을 나타낸 것으로써 강섬유를 혼입하지 않은 시험체(L-0.0-0)의 최대하중 및 최대처짐은 각각 172.5kN 및 5.1mm를 나타내었다. 또한, 강섬유를 혼입함으로써 최대하중은 약간 증가하는 경향을 나타내었으며, 최대처짐은 크게 감소하는 결과를 나타내었다.
한편, 그림 5는 콘크리트 라이닝 두께 60mm의 20%를 감소시킨 48mm를 천단부 라이닝 두께로 하여 강섬유를 0.0, 0.5 및 1.0%로 혼입한 시험체의 하중-처짐곡선을 나타낸 것으로써 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 최대하중은 증가하였으며, 최대처짐은 감소하는 경향을 나타내었다.
그림 6은 콘크리트 라이닝 두께 6cm의 40% 감소시킨 즉, 24mm를 천단부 라이닝 두께로 하여 천단부 20° 범위에 강섬유를 0.0, 0.5 및 1.0%로 혼입한 시험체의 하중-처짐곡선을 나타낸 것이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 강섬유를 혼입하지 않은 시험체의 최대하중 및 최대처짐은 각각 138.4kN 및 42mm를 나타내었다. 반면에 강섬유를 1.0% 혼입한 시험체의 경우, 최대하중 및 최대처짐은 각각 151.6kN 및 25mm로 L-0.0-0 시험체보다 최대하중은 9.5% 증가하였으며, 최대처짐은 40.5% 감소하는 좋은 결과를 나타내었다.
따라서 강섬유보강 터널 콘크리트 라이닝의 특성은 강섬유 혼입률이 증가할수록 최대하중과 최대처짐 변형 성능은 현저히 개선되는 경향을 나타내어 지금까지 보고 된 강섬유보강 콘크리트의 균열의 진행을 억제하며 더 많은 파괴에너지의 흡수를 도모하여 강섬유 콘크리트가 일반 콘크리트보다 더 큰 연성과 강도를 갖는다는 결과를 나타내었다고 판단된다(Goparalatnam et al, 1991).
2) 콘크리트 라이닝 천단부 두께 변화에 따른 분석
본 연구에서는 콘크리트 라이닝의 두께부족 및 배면 공동현상에 따른 콘크리트 라이닝의 특성을 평가하기 위하여 콘크리트 라이닝 모형 시험체의 천단부 두께를 60mm의 0, 20 및 40% 감소시킨 60, 48, 36mm로 하였으며, 천단부 20° 범위에 강섬유를 0.0, 0.5 및 1.0% 혼입하여 제조한 시험체에 대한 하중-처짐 곡선을 나타낸 것이 그림 7, 8 및 9이다.
그림 7은 강섬유를 혼입하지 않은 콘크리트 라이닝의 천단부 두께를 3단계로 변화시킨 시험체의 하중-처짐곡선을 나타낸 것으로써, 최대하중은 천단부 라이닝 두께를 감소시킴으로써 작아지는 결과를 나타내었으며, 최대처짐은 천단부 라이닝 두께를 48mm인 시험체가 3.7 mm로 가장 작은 값을 나타내었다.
한편, 그림 8 및 9는 강섬유 혼입률을 각각 0.5 및 1.0%로 하여 천단부 라이닝 두께를 3단계로 변화시킨 시험체들의 하중-처짐곡선을 나타낸 것이다. 이들 그림에서 알 수 있듯이 강섬유 혼입률 0.5 및 1.0%의 경우, 천단부 라이닝 두께가 감소할수록 최대하중 및 최대처짐은 거의 비례적으로 감소하는 결과를 나타내었다.
이러한 결과는 부분적으로 라이닝 두께가 얇은 부분에서는 큰 응력이 발생함을 알 수 있었고, 라이닝 두께 감소는 단면적 보다는 단면 이차 모멘트에의 영향이 지대하므로 약간의 외력으로도 인장파괴를 유발시켜 균열의 원인이 될 수 있음을 알 수 있었다.
5. 결론
1.균열원인에 따라 분류된 모든 경우에 대해서 종방향 균열이 20～80% 내외이고, 종방향 균열에 횡방향 균열이 겹쳐 나오는 현상을 보이는 것이 20～80%로서 대부분의 균열이 종방향 균열을 중심으로 중점적으로 발생하고 있었다. 특히 위의 두 가지 경우를 하나로 분류하게 된다면 95% 내외로서 콘크리트 라이닝의 균열은 종방향 균열이 지배하는 것으로 나타났다. 횡방향 균열이 단독으로 발생하는 경우는 6% 내외로 조사되었다.
2.강섬유를 0.0, 0.5 및 1.0% 혼입한 제조한 강섬유보강 콘크리트의 압축강도는 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 조금씩 증가하는 경향을 나타내었으며, 재령 28일에서 각각 24.5, 25.1 및 26.9MPa로 설계기준강도 24MPa보다 큰 값을 나타내었다.
3.강섬유 혼입률을 0.0, 0.5 및 1.0%로 하여 제조한 강섬유보강 콘크리트의 인장강도를 측정한 결과, 강섬유를 콘크리트 체적의 0.5 및 1.0% 혼입한 시험체의 인장강도는 강섬유를 혼입하지 않은 콘크리트의 인장강도보다 각각 15 및 30%가 증가하였음을 알 수 있었다.
4.콘크리트 라이닝의 두께는 60mm이며, 천단부 라이닝 두께를 0, 20 및 40% 감소시켜 강섬유를 3단계로 혼입한 경우, 천단부 라이닝 두께별 강섬유 혼입률을 증가함으로써 최대하중은 약간 증가하는 경향을 나타내었으며, 최대처짐은 크게 감소되는 결과를 얻었다.
5.강섬유 혼입률을 각각 0.0, 0.5 및 1.0%로 하여 천단부 라이닝 두께를 3단계로 변화시킨 시험체의 경우, 강섬유를 혼입하지 않고, 천단부 라이닝 두께 48mm인 시험체를 제외하고는 천단부 라이닝 두께가 감소할수록 최대하중 및 최대처짐은 거의 비례적으로 감소하는 결과를 나타내었다.
이상의 연구 내용을 종합해보면 콘크리트 라이닝은 일차적으로 시공방법상 두께부족, 배면 공동 등의 결함이 발생할 가능성이 높고, 이러한 구조적 취약부에 숏크리트가 접촉이 되게 되면 콘크리트 라이닝에 하중이 작용하여 비교적 작은 하중이나 변형에도 쉽게 균열이 발생하게 된다. 따라서 실규모 터널에 있어서 콘크리트 라이닝 시공시 설계두께보다 얇아지는 경우 국부적으로 콘크리트 품질저하를 방지하기 위하여 본 연구에서 제시된 범위에서 경제성 및 시공성을 고려하여 콘크리트 라이닝 천단부 일부에 강섬유을 0.5% 혼입한 콘크리트를 사용하면 콘크리트 라이닝 두께가 20%정도 감소하여도 콘크리트 라이닝의 균열 및 역학적 특성에 아무런 영향이 없는 것으로 판단된다.
또한, 종래의 콘크리트가 지닌 본질적인 결함인 취성적 성질을 개선하고 휨강도, 인장강도, 부착강도, 균열저항성, 내구성, 변형성능 및 경제성 등을 대폭 향상시킬 수 있는 섬유보강 콘크리트의 제조ㆍ성형기술을 개발하여 터널 콘크리트 라이닝의 물리적ㆍ역학적 성능 및 내구성능을 향상시키고 구조물의 안전성 및 신뢰성을 확보해야 할 것이다.
