1. 서 론

최근 도심지 교통정체 심화와 도로로 인한 지역 단절 등을 개선하기 위해 도로 지하화 사업이 증가하고 있는 추세이다. 하지만, 도심지의 경우 지하 공간에 기존에 건설된 교통 인프라 및 대규모 구조물 등이 존재하거나, 도심지를 가로지르는 강의 하부를 통과해야 하는 경우 등 추가적인 터널 시공이 어려운 경우가 다수 존재한다. 따라서, 도로 지하화를 위한 터널 시공 시 발파를 활용하는 NATM (new Austrian tunneling method) 공법 보다는 기계를 이용해 터널을 굴착을 활용하는 TBM (tunnel boring machine) 공법의 적용이 점차 증가하고 있다(Jun and Kim, 2016; Yang et al., 2023; Kim and Kim, 2024; Kim et al., 2024; Yeom et al., 2025).

TBM 터널의 경우 기존 NATM 터널과는 다르게 세그먼트 라이닝에 직접적인 하중이 작용하게 된다는 특징이 있어, 세그먼트의 설계 및 안전성에 관한 연구가 다수 수행되었다. Yoo and Jeon (2012), Kim et al. (2017)은 세그먼트 라이닝 설계 시 부재력, 단면력에 대한 연구를 수행한바 있다. Lee et al. (2015)은 고수압 조건에서 세그먼트 라이닝의 구조설계에 대한 연구를 수행하였다. 또한 세그먼트 라이닝의 실물실험을 통해 보강효과나 안정성에 대한 분석도 수행되었다(Lee et al., 2013; Lee and Chang, 2019). Woo et al. (2016)은 인공신경망 기반의 TBM 세그먼트 라이닝의 최적 설계 시스템을 개발한바 있다.

세그먼트의 설계나 안정성에 대한 검토도 중요하지만, 세그먼트 내구성 등의 성능과 직결되는 현장 품질관리도 매우 중요하다. 세그먼트의 품질관리는 제작, 이동, 현장 반입, 조립 등 다양한 단계에서 필요하나, 일반적으로는 제작공장에서 재료, 외형검사, 압축강도 시험 등이 이뤄지고 있으며, 현장에서는 이동 중 세그먼트 손상 등에 대한 육안검사가 주로 이뤄지고 있다. 하지만 세그먼트 라이닝의 장기 내구성 확보를 위해서는 현장 반입 시 강도 확인 등 품질관리를 강화할 필요가 있다.

따라서, 본 연구에서는 콘크리트 구조물의 건전성을 확인하는 비파괴검사 방법을 분석하고 세그먼트 라이닝의 압축강도 측정에 가장 적합한 방법을 채택하였다. 실제 TBM 터널 시공 현장의 세그먼트 라이닝을 대상으로 비파괴검사와 코어를 채취한 압축강도 시험을 수행하고, 두 결과 간의 상관관계 분석을 수행하였다. 이를 통해 비파괴검사를 활용한 세그먼트 압축강도 관리기준을 제시함으로써, 간편하면서도 효율적인 방법으로 세그먼트 라이닝의 현장 품질관리를 가능하게 하였다.

2. 세그먼트 압축강도 평가

2.1 세그먼트 및 재료 특성 개요

세그먼트 내구성 확인을 위한 현장 압축강도 비파괴검사 관리기준을 제시하기 위해, 실제 대단면 도로터널 TBM 시공 현장의 세그먼트를 활용하여 검사 및 분석을 진행하였다.

해당 현장에 적용된 세그먼트 단면 및 제원은 Table 1과 같고, 공장에서 제작 후 검수 완료되어 현장으로 반입된 완제품을 대상으로 압축강도 검사를 수행하였다. 검사는 비파괴검사와 파괴검사(코어 채취)를 모두 수행하여 그 결과를 분석하였다.

Table 1.

Segment cross-section and specifications

Standard cross-section	Specifications
	• Outer diameter : 13,500 mm • Inner diameter : 12,600 mm • Thickness : 450 mm • Volume : 3.69 m3 (weight 92 kN) • Number of divisions : 10 (equal divisions) • Longitudinal length : 2.0 m • Segment strength : fck = 50 MPa • Rebar (SS400) : fck = 400 MPa

2.2 비파괴검사

일반적으로 타설 후의 콘크리트 구조물의 안정성 여부를 판단하는 척도인 압축강도는 파괴검사와 비파괴검사를 통해 확인할 수 있다. 이 중 비파괴검사는 구조물의 손상 없이 강도를 확인할 수 있고, 파괴검사에서 확인이 어려운 정보(균열의 검출 등)를 얻을 수 있다는 장점이 있어, 현장에 반입된 세그먼트의 품질을 확인하기 위한 방법으로 적절하다.

비파괴검사는 타격법, 진동법 등이 대표적이며, 해당 연구에서는 Table 2와 같은 시험방법을 비교하여 실제 TBM 터널 시공 현장에서 적용하기에 가장 적합한 방식을 채택하였다.

Table 2.

Types of nondestructive testing methods

Classification	Mechanical impedance method	Rebound hardness method	Ultrasonic method
Equipment  photo
Estimation  method	Elastic wave velocity	Rebound hardness	Ultrasonic transmission velocity
Advantages	• Simple testing method • High reliability for  high-strength concrete • No separate calibration  required	• Low equipment cost • Many experienced technicians  (good versatility)	• Simple testing method • Beneficial for repeated  measurements on identical  components
Disadvantages	• High failure rate of  testing equipment  (excessive impact force)	• Reduced reliability for curved surfaces • Test results require calibration	• Low reliability for  high-strength concrete  (Interference from rebar)

해당 현장에 적용된 세그먼트 라이닝의 경우 Table 1에서 설명한 것과 같이 고강도 콘크리트를 적용하였으며, 곡선의 형태로 제작되기 때문에 고강도 콘크리트와 곡면 적용 시 신뢰도가 확보되는 방법이 필요하다. 또한 현장에서 간편하게 세그먼트 강도를 확인할 수 있도록 하는 것이 해당 연구의 목표이므로, 기기 숙련도에 상관없이 누구나 적용 가능한 방법이 필요하다. 따라서 Table 2에 제시된 비파괴검사 방법 중 기계임피던스 방법이 현장 적용성이 가장 높다고 판단되어 이를 채택하여 적용하였다. 기계임피던스 방법에 의한 세그먼트 압축강도 측정 개요는 Table 3과 같다.

Table 3.

Overview of mechanical impedance testing methods

Classification	Overview	Contents
Measurement  principle		• Concrete is assumed to be a semi-infinite elastic body • A hammer of mass M impacts the concrete surface at a velocity V • The kinetic energy of the hammer is converted into potential energy  on the concrete surface through impact (12MV2=12kx2) • F = kx (k : spring coefficient, x : displacement) • Mechanical (dynamic) impedance Z=Mk=FV
Measurement  method		• When concrete is struck with a hammer, the concrete strength is  calculated based on the measurement principle and displayed on the  measuring device. • Since the compressive strength measured by physical theory differs  from the strength measured by a compressive strength test,  a correlation analysis is required.
Measured  values		• STR : Converted concrete compressive strength (MPa) • INDX : Concrete surface deterioration status

현장에 반입된 세그먼트 대상 비파괴검사(기계임피던스 방법)는 파괴검사를 위한 코어 채취 위치에서 측정하였으며(Fig. 1), 코어 채취 전 기계임피던스 방법으로 압축강도를 10회 측정하여 그 평균값을 적용하였다. 이때 시험은 재령일수에 따라 측정하여 그 결과를 비교하였으며, 측정된 압축강도 추정 결과는 Table 4와 같다.

Fig. 1.

Overview of segmented mechanical impedance test

2.3 파괴검사

비파괴검사는 간편하게 콘크리트 구조물의 압축강도를 추정할 수 있지만, 콘크리트 구조물의 조건(배합비, 함수상태 등), 공시체의 크기 등에 따라 강도 추정식이 달라질 수 있어 신뢰도 확보에 어려움이 있다. 따라서, 현장 반입 시의 세그먼트 라이닝 압축강도 추정에 적합한 비파괴검사 관리기준을 제시하고자, 파괴검사(코어 공시체 압축강도 시험)를 함께 수행한 후 그 결과를 반영하여 비파괴검사의 신뢰도를 향상시켰다(Fig. 2).

Fig. 2.

Segment core collection and compressive strength test

코어 채취를 위한 세그먼트는 공장에서 별도 제작 후 현장에서 양생하였으며, 재령일수(4, 11, 25, 53, 88일) 마다 코어 채취 후 공시체를 제작하였다. 제작된 코어 공시체의 압축강도 시험은 수침 후 습윤상태에서 수행하였으며, 이를 위해 재령 압축강도 시험 3일전 코어를 채취하였다. 공시체 압축강도 시험은 코어 채취일과 수침 48시간 경과 후에 모두 수행하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다. 일반적으로 콘크리트는 재령일수가 증가할수록, 압축강도가 증가하는 경향을 가진다. 그러나 Table 5에서 볼 수 있듯이 53일 이후에는 압축강도가 감소하는 경향이 나타났는데, 건조상태, 온도 등 다양한 환경적 원인에 의한 것으로 추정된다.

3. 압축강도 관리기준 설정

3.1 비파괴-파괴 결과의 상관관계 분석

현장에 반입된 세그먼트 라이닝의 기계임피더스 검사와 코어 공시체 압축강도 시험 결과를 Figs. 3 and 4와 같이 비교하여 상관관계 분석을 수행하였으며, 비교 데이터는 각 시험의 재령일별 압축강도 평균값이다.

Fig. 3.

Analysis of the correlation between compressive strength (curing age at 56 days)

Fig. 4.

Analysis of the correlation between compressive strength (curing age at 91 days)

두 가지 시험 결과 평균값의 상관관계 분석을 수행한 결과 재령 56일 1차 선행 압축강도에 대한 상관관계식의 결정계수(R2)가 0.93으로 가장 큰 것을 알 수 있다. 결정계수는 회귀분석에서 종속변수와 독립변수 사이의 상관관계를 나타내는 지표로, 그 값이 1에 가까워 질수록 회귀식의 설명력과 신뢰도가 높다고 볼 수 있으며, 일반적으로 0.7 이상의 값을 나타내면 대체적으로 높은 신뢰도를 가진다고 판단할 수 있다. 따라서, 재령 56일 1차 선행시험에 대한 상관관계식을 활용하여 해당 현장의 세그먼트 비파괴검사 관리기준을 제시하였다.

3.2 세그먼트 압축강도 관리기준 제안

해당 현장의 기존 세그먼트 압축강도 관리기준은 코어 공시체의 압축강도로 제시되어 있는데, “구조체 콘크리트에 대해 3개 이상 코어의 압축강도 평균값이 설계기준강도(50 MPa)의 85% (42.5 MPa)에 도달하고, 그중 하나의 값이 설계기준강도의 75%보다 작지 않으면 합격한다”고 규정하고 있다. 따라서, 세그먼트 품질관리의 선제적 대응을 위해 코어 압축시험 시 1차 관리기준 50 MPa, 2차 관리기준을 42.5 MPa로 적용하여 관리하도록 하였으며, 비파괴검사의 경우 상관관계식을 적용하여 Table 6과 같이 1차 관리기준은 40.6 MPa, 2차 관리기준은 33.1 MPa로 제안하였다. 다만, 상관관계식에 의한 비파괴검사 관리기준은 실제 코어 공시체 압축강도 관리기준에 비해 오차 발생 가능성이 있으므로, Fig. 5에서와 같이 관리기준 미달시에는 코어 채취를 통한 압축강도 확인이 반드시 필요하다.

Fig. 5.

Compressive strength management plan using the mechanical impedance method

4. 결 론

본 연구는 TBM 세그먼트 라이닝의 현장 강도평가 및 품질관리 향상을 위해 기계임피던스법을 적용하고, 코어 공시체 압축강도 시험과의 상관관계를 기반으로 신뢰성 있는 비파괴검사 관리기준을 제안하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

1. 고강도 곡선형 세그먼트의 특성을 고려할 때, 반발경도법 및 초음파법 대비 기계임피던스법이 현장 적용성과 신뢰성 측면에서 더 적합함을 확인하였다.

2. 비파괴검사 결과와 코어 공시체 압축강도 시험의 상관관계를 분석한 결과, 재령 56일 선행시험에서 결정계수(R² = 0.93)로 높은 신뢰성을 확보하였다.

3. 상관관계 분석 결과를 바탕으로 현장 비파괴검사 기반 관리기준을 제시하였으며, 관리기준 미달 시 추가 코어 시험을 통해 강도 확인이 가능하도록 현장 품질관리 체계를 정립하였다.

4. 본 연구에서 제안한 관리기준은 TBM 세그먼트의 현장 반입 단계뿐만 아니라 유지관리 단계에서도 품질관리에 활용 가능하며, 향후 다양한 현장 조건을 반영한 데이터 축적을 통해 더욱 고도화될 수 있을 것으로 기대된다.