1.서론

최근 서울을 비롯한 대도시에서는 지상건축구조물 대형화, 교통체계의 과밀화 등으로 지하공공시설물의 입지조건이 시공상 까다로운 상태에 있다. 그러나 한편으로는 터널기술이 비약적으로 발전함에 따라 하저와 해저 등과 같은 지반조건이 까다로운 장소에서의 시공도 증가하게 되었다. 특히 하저 및 해저에서의 터널 시공의 경우, 안정성 확보 측면에서 쉴드터널공법이 주로 적용되고 있으며, 이때 세그먼트의 방수성능은 전체 터널의 안정성 및 품질을 결정하는데 있어서 매우 중요하다.

본 연구에서는 한강하저구간을 통과하는 복선전철 노반신설공사를 대상으로 쉴드TBM 설계를 수행하는데 있어 수팽창성 지수재와 가스켓으로 대별되는 세그먼트 방수재의 방수성능을 비교, 평가할 목적에서 실내시험을 수행하였다. 실내시험은 과거 쉴드 세그먼트에 대한 방수재의 방수성능을 저하시키는 주원인으로 지목된 시공오차 및 과다변형에 의한 세그먼트 벌어짐 현상에 대해서 내수압 실험을 실시하였다. 최종적으로 세그먼트간 벌어짐 (이하 Gap)과 엇갈림 (이하 Offset)으로 표현되는 세그먼트 벌어짐 현상에 대하여 Gap-Offset에 대한 관리기준을 제시한다.

2.세그먼트 방수

2.1 세그먼트 누수경로 및 원인

쉴드터널에서 누수의 원인으로 표 1과 같이 터널주변의 토질현황, 지하수조건, 세그먼트 구조 등을 생각할 수 있으며, 구체적으로는 세그먼트 배면측, 즉 지반측에 위치하는 뒤채움 주입공에 기인하는 누수와 세그먼트 연결부에서 발생하는 누수로 대별된다. 쉴드터널 누수의 대부분이 세그먼트와 관련된 개소에서 발생하며, 세그먼트 방수는 그림 1과 같이 세그먼트 연결부 방수 (①), 뒷채움 주입공방수 (②), 볼트구멍 방수 (③), 코킹방수 (④), 도막방수 (⑤) 등으로 구성된다. 이 가운데서 일본 터널기술협회에서 조사한 바에 의하면 그림 2와 같이 세그먼트 누수량의 약 57%가 세그먼트 연결부에서 발생하며 가장 큰 비중을 차지하고 있다.

2.2 연결부 방수재 종류 및 특징

연결부 방수란 방수재의 고무탄성압을 이용하여 세그먼트 연결부에 행해지는 방수로서, 일본에서 주로 채용하고 있는 수팽창성 지수방식과 유럽에서 주로 채용되는 가스켓 방식으로 대별된다. 본 논문에서는 세그먼트 방수 가운데 가장 중요한 연결부 방수를 주 대상으로 검토한다. 연결부 방수재는 쉴드공법의 발전과 함께 여러 가지 재질과 구조가 개발되었다. 재질면에서 보면 당초 역청계 재료가 사용되어진 적도 있었지만, 방수성의 향상을 목적으로 미가류 고무계, 가류 고무계, 발포계 및 우레탄계 등 다양한 소재가 이용되었다. 표 2 세그먼트 방수재의 분류에서는 지수재의 종류와 특징을 서술하였다. 기능면에서는 비팽창성 재료에서 수팽창 재료로 개발이 진행되어 세그먼트 이음의 움직임에도 대응이 가능해졌다. 또한 구조면에서도 단일재료뿐만 아니라 복합재료로 만들어진 제품도 제작되어 방수성 향상에 크게 공헌하고 있다. 또한 구조면에서도 단일재료뿐만 아니라 복합재료로 만들어진 제품도 제작되어 방수성이 크게 향상되었다. 비팽창성 지수재는 재료 자체가 지닌 접착성 또는 고무 탄성압을 이용한 방수재로서, 쉴드터널에서는 그림 3과 같이 1965년～80년대에 많이 사용되었으나 국내에서는 적용되지 않았다. 수팽창성 지수재는 재료가 지닌 흡수특성이 구속조건 하에서 발휘하는 팽창압과 건조상태에서도 존재하는 탄성반력의 2가지 지수원리를 이용한 방수재이다. 1975년대에 흡수성 수지를 이용한 제품이 지수재로서 최초로 개발되고 그 후 여러 가지 재료의 개발과 개량이 더하여져 단일 재료와 복합재료에 의한 지수재 등으로 제작되었으며, 현재는 국내와 일본에서 세그먼트 지수재의 중심적 재료로 사용되고 있다. 고무가스켓은 탄성반발력에 의한 접면압력으로 방수하는 것을 기본으로 하며, 유럽에서 가장 널리 이용되는 세그먼트용 방수재이다. EPDM (Ethylene Propylene Ter-polymers) 가스켓은 사용실적이 많고, 응력완화나 장기적인 내구성에 대해서도 충분히 검토, 평가되어 있다. 또한 최근에는 수팽창성 지수재와 결합된 복합형 EPDM 가스켓이 개발되어 국내․외에서 사용되고 있다.

3.세그먼트 방수의 방수이론

3.1 연결부 방수이론

방수재의 방수원리에는 (1)점착성을 이용하는 것과 (2)고무 탄성압 (압축반력)등을 이용하는 2가지가 있다. 전자는 미가류 고무계 재료가 지닌 원리이지만 수압에 의해 소성변화하는 것이나 세그먼트 이음의 움직임에 따른 복원력 불량 등의 결점으로 사용 예가 적어지고 있다. 따라서 지수원리로서는 후자에 의한 것 (가스켓 이론)이 일반적이라고 할 수 있다. 소정의 내압성능을 만족할 때 작용수압과 필요접면응력의 관계는 (가스켓 이론) 식 (1)과 같이 나타내어진다.

σ ≥ m․Pw            (1)

여기에서, 

σ : 필요접면응력 (고무탄성압+팽창압+수압반력압)

m : 가스켓 계수 (m=1.0)

Pw: 작용수압 (설계수압)

필요접면 압력은 고무탄성압, 팽창압 및 수압반력을 합계한 것이다. 고무탄성압은 지수재를 압축할 때 생기는 반력으로 비팽창 및 수팽창 지수재와 함께 보유하는 압력이다. 또 이 압력은 감소율에 의해 시간의 경과와 함께 저하한다. 팽창압은 지수재가 물을 흡착할 때 발생하는 반력으로 수팽창 지수재 자체가 보유하는 압력이다. 또 그 압력은 지수재 압축율이 클수록 팽창압이 커진다고 보고되고 있다 (그림 4).

수압반력은 수압을 작용시킬 때 처음으로 방수재에 발생하는 반력으로 다른 반력과 마찬가지이고 지수에 필요한 접면 압력의 일부가 된다는 점에서 이렇게 불려진다. 또 이 압력은 작용수압에 비례하여 증가한다. 가스켓 계수(m)는 작용수압과 필요접면 압력에 관계하는 비례정수로 방수재 재질, 형상 및 폭 등에 따라 달라진다. 일반적으로 배관 플랜지 패킹 등의 얇은 부재로 m=0.5정도, 세그먼트 방수재 등의 조금 두꺼운 부재로는 m=1.0 정도를 적용한다. 시공오차 및 세그먼트의 과다변형에 의한 접면압 감소는 설계 수압 m․Pw에 안전율을 고려하여 산정할 수 있다. 그러므로, 최종적인 필요접면응력은 식 (2)와 같이 구할 수 있다.

σ ≥ FS․m․Pw                 (2)

여기서, FS는 시공오차 등에 의한 필요 접면압의 안전율로서 2.0을 사용하도록 한다.

3.2 연결부 방수를 위한 관리기준치

쉴드터널에 있어서 누수의 원인은 이미 설명한 바와 같이 (1) 세그먼트 시공 시 시공오차, (2) 세그먼트의 과다변형, (3) 연결부 방수재의 탈락 및 내구성 저하, (4)작업과정에서 발생되는 세그먼트의 파손 등이 있으며, 이 중에서도 세그먼트 시공 시 시공오차 및 과다변형에 의한 누수 등이 주된 원인으로 지적되어 왔다. 즉, 세그먼트의 방수성능 저하는 그림 5와 같이 연결부 방수재의 접촉면적을 감소시키는 세그먼트간 Gap (그림 5,δ)과 Offset (그림 5,△)에 의해 주로 발생된다고 할 수 있다. 그러므로 연결부 방수성능은 Gap과 Offset에 따른 내수압을 결정하고, 세그먼트 설계 및 시공시 관리기준치로서 Gap과 Offset이 결정되어야 한다고 할 수 있다.

Gap과 Offset에 대한 관리기준치는 방수재의 필요접면응력, σ에 대한 Gap-Offset 관계 그래프상에서 구할 수 있다. 그림 6은 실험결과로부터 구한 필요접면압에서의 Gap-Offset관계 그래프이다. 이 그래프에서 A-선 아래 영역이 관리기준으로 제시 가능한 Gap과 Offset이라고 할 수 있다. 단, 여기에서 제시된 Gap과 Offset의 관리기준치는 세그먼트 연결부 방수성능과 직접적인 연관을 가지며, 세그먼트의 시공후 미관이나 역학적 특성은 고려되지 않았다.

4.방수재 방수성능 실내실험 방법

4.1 국내외 방수성능 평가방법

국내에서 지수재의 방수성능 평가방법은 기본물성시험, 내수압 시험, 수침팽창 내수압 시험, 팽창-건조 반복시험, 열노화시험 등의 성능평가 방법이 주로 이용되고 있지만, 현재 상황에서는 사용 환경에 적합한 평가방법이 특별히 없으며 시험 자체도 열악한 것이 실상이다. 본 논문에서는 해외에서 실시하는 일반적인 시험을 참고하여 비팽창 내수압 실험과 수침팽창 내수압 실험의 2가지 실험을 수행하고자 한다. 비팽창 내수압 시험은 방수재 접합부의 내압성능 그리고 Gap과 Offset에 따른 내압성능을 평가하는 것으로서, 방수재의 방수성능이 설계구간의 수압조건에 타당한 가를 평가하는 것을 주목적으로 한다.

수침팽창 내수압 실험은 현장 조립시 발생하는 Gap 상태에서 수팽창성 지수재가 팽창하여도 재질의 변화가 없는 내구성을 유지하면서 방수재의 반력 및 접면응력(탄성압+팽창압)에 의한 내압성능을 갖는지 평가하는 것이다. 방수재의 설계수압 조건에 대한 타당성을 평가하는 것을 주목적으로 수침팽창 후 내수압 시험을 한다. 한편, 일본의 문헌이나 공사 진행중에 방수재의 성능을 평가한 방법을 조사한 결과 사용환경에 적합한 평가방법이 정형화되어 있지 않으며, 본 실험과 같은 내수압 실험법이 일반적으로 수행되고 있다. 유럽에서는 실드터널에 통상 고무 가스켓을 사용하기 때문에 고무의 기본물성시험과 가스켓의 압축응력시험, Gap과 Offset에 따른 내수압 시험이 이루어지고 있다. 가스켓의 내구성은 100년 이상 된 쉴드터널에서 증명된 바 있듯이 매우 우수한 것으로 알려져 있다.

4.2 방수재 선정

본 연구에서 사용한 방수재는 수팽창성 지수재 (이하 M1), 수팽창성 복합 고무지수재 (이하 M2), 가스켓 방수재 (이하 M3), 수팽창 복합 고무 가스켓 (이하 M4)이며, 각각의 특징 및 장단점은 표 3과 같다.

4.3 실험장치 및 최대 설계 수압산정

실험장치는 그림 7과 같이 가압장치와 내수압 실험기로 구성된다. Gap과 Offset을 구현할 수 있도록 실험기를 제작하였으며, 실험기는 상․하로 제작하여 세그먼트의 방수재 접촉을 모사하도록 하였다. 그리고 가압장치를 연결하고 실험기 내부에 적색 잉크가 함유된 실험수를 가득 채워 누수 여부를 판단하기 수월하도록 하였다. 최대수압은 한강하저구간이라는 특수성을 고려하여 터널계획고로부터 최대 한강홍수위까지의 수위가 38.3～46.7m이므로 5kgf/cm2로 설정하였다. 최종적으로 최대 뒷채움 주입압이 2kgf/cm2이므로 총 7kgf/cm2로 산정하였다. 한편, 방수재 성능평가에 적용한 최대 설계수압은 안전율 (FS = 2.0)을 고려하여 14kgf/cm2로 결정하였으며, 실험은 내수압 곡선을 획득하기 위하여 최대 30kgf/cm2까지 수압을 작용시켰다.

4.4 실험조건 및 순서

먼저 실험용방수재 (M1～M4)를 그림 7(a)의 내수압 실험장치 상부 및 하부에 소정의 길이로 절단하여 접착제로 부착한 후 24이상 고정시켜 충분히 접착토록 한다. 이어서 Gap과 Offset을 해당 실험조건에 맞추어 실험장치를 조정한다. 실험에 적용한 Gap과 Offset의 조건을 표 4와 같이 비팽창실험과 팽창실험에 대해 각각 설정하였으며, Gap과 Offset은 실험 방수재의 종류에 따라 시공오차를 고려하여 각각 0～20mm, 0～15mm 범위에서 형성시켰다. 가압은 누수여부를 쉽게 판단할 수 있는 적색 잉크수를 이용하여 1, 2, 4,… (2kgf/cm2씩 증가)…26, 28, 30kgf/cm2로 3분 간격으로 설정하였다. 수압 측정은 0.5kgf/cm2 단위로 측정하였으며 잉크수가 누수되는 것이 육안으로 확인되면 압력게이지 수치를 계측하여 기록하였다.

5.실험 결과

5.1 비팽창 내압시험

Gap과 Offset 및 각 방수재에 따른 내수압 실험결과를 그림 8에 도시하였다. M1과 M2와 같은 수팽창성 지수재는 최대 Gap이 4mm이기 때문에 5mm에서는 접면압이 0이고, M3와 M4는 최대 Gap이 14mm이므로 15mm에서 접면압이 0이다.

설계수압 Pw에 대한 각 방수재의 최대 Gap은 Offset의 크기에 따라 표 5와 같은 값을 갖는다. M1에 비해 M2의 최대 Gap이 7～20%정도 큰 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 가스켓 타입인 M3와 M4의 경우에는 거의 같은 값의 최대 Gap을 보여주고 있다.  M4에 비해 M3가 1.8% 정도 큰 값을 보이고 있는데, 이는 M4의 경우 표면에 부착된 수팽창성지수재로 인해 접면압이 감소했

기 때문인 것으로 판단된다.

5.2 내수압 실험

수팽창성 지수재가 결합된 형태의 방수재(M1, M2, M4)의 방수성능을 평가하기 위하여 5일간 수침 시킨 후 내수압 실험을 수행하였으며, 그 결과를 그림 9에 수록하였다. 또한 Offset이 증가함에 따라 내수압도 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 그 값은 M1의 경우 12.5% (적용 Gap = 2mm), M2의 경우 23.8% (적용 Gap = 2mm), M4의 경우 30.4% (적용 Gap = 8mm)로 비팽창시험과 마찬가지로 가스켓 방식에서 더욱 큰 값으로 감소하였다. 수팽창성 지수재의 비팽창 및 팽창후에 대한 내수압 실험결과가 표 6과 그림 9에 도시되어 있다.

5.3 방수성능 평가 및 관리기준치 산정

각 방수재에 대해 Gap=2mm와 Offset=0mm에서 작용하는 최대 수압은 M1의 경우 12～16kgf/cm2, M2의 경우 18～21kgf/cm2, M3와 M4의 경우 30kgf/cm2 이상이다. M3와 M4의 경우에는 Gap=12mm일 경우, M4가 M3에 비해 214% 큰 내수압을 나타냈다. 이는 M3와 M4의 방수성능은 작은 Gap에서는 큰 차이를 보이지 않다가, Gap이 증가함에 따라 M4의 방수성능이 크게 향상되는 것을 나타내 주고 있다. Gap과 Offset에 대한 관리기준치를 제시하기 위하여 Gap-Offset 관계 그래프를 작성하였다. 이 그래프는 설계수압 혹은 적용수압에서의 Gap과 Offset을 산정하여 구할 수 있다. 그림 10은 설계수압과 적용수압에 대한 Gap-Offset 관계 그래프를 나타내고 있다. Gap-Offset 관계 그래프는 안전측으로 제시되어야 하므로, 비팽창 실험을 통해 산정하였다.

6.결론

해저 및 하지쉴드터널 설계 시공시 터널안정성 및 품질확보 측면에서 무엇보다도 중요한 세그먼트 연결부의 누수예방 혹은 최소화를 목적으로 총 4종류의 세그먼트 방수재를 대상으로 세그먼트 시공시 필연적으로 발생하는 Gap과 Offset을 파라메타로 실내 내수압시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.

1. 방수재는 시공오차 및 과다변형에 의해 유발되는 Gap과 Offset에 따라 성능이 감소하게 되며, Offset 보다는 Gap에 의해 더욱 큰 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었다.

2. 수팽창성 지수재 (M1)는 Gap이 2mm 이상 벌어지지 않는다면 설계수압 7kgf/cm2을 만족하는 것으로 나타났으며, 15mm 이상의 Offset에서 내수압이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 팽창 후에도 수팽창성 지수재의 방수성능에는 큰 차이를 보이지 않았으나, Gap이 증가함에 따라 내수압이 250% 까지 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 수팽창성 지수재의 팽창압의 증가에 따른 영향인 것으로 판단된다. 수팽창성 지수재를 적용할 경우에는 Gap의 관리기준치는 2mm 이하로 유지하고, Offset에 의해 결정되는 접촉면적은 60% 이하로 떨어지지 않도록 한다.

3. 수팽창성 복합 고무 지수재 (M2)는 M1에 비해 우수한 내수압성능을 보여주고 있으며, 팽창후 내수압 성능이 증가하는 양상 또한 유사한 것으로 나타났다. M2의 경우 M1에 비해 내수압 성능이 우수하므로, Gap의 관리 기준치도 3mm 이상이 가능할 것으로 판단된다. 또한 수팽창성 지수재 방식의 방수성능은 일반적인 형태보다 수팽창 복합고무 지수재가 보다 우수한 것으로 나타났으며, 수팽창성 지수재 양옆의 비팽창 고무가 팽창압의 증가를 유도하는 것을 확인할 수 있었다.

4. 일반 EPDM 가스켓 (M3)은 Gap과 Offset의 영향을 모두 받으며, 15mm의 Offset에서 설계수압을 견딜 수 있는 최대 Gap은 7mm 이하 인 것으로 나타났다. 또한 수팽창 복합 고무 가스켓 (M4)에서도 비팽창 고무 가스켓과 같은 유형의 내수압 특성을 가지고 있다. 다만, M4의 경우에는 수팽창 후 내수압 성능이 12mm Gap에서 150% 증가하는 양상을 보여주고 있다. 그러므로 장기방수성능을 기대하고자 한다면, M4와 같은 수팽창성지수재가 복합된 가스켓 방식이 적절할 것으로 판단된다.

5. Gap과 Offset에 대한 방수재의 대응성능을 판단하기 위하여 Gap-Offset 관계그래프가 제안되었으며, 이를 통해 현장에서 세그먼트 조립시 방수성능이 저하되지 않도록 관리하는 데에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.