1. 서 론
2. 방호쉴드 공법의 개념
3. 방폭튜브 소재에 대한 역학시험
3.1 시험 개요
3.2 시험 장비
3.3 인장 시험
3.4 인열 시험
3.5 전단 강도 시험
3.6 시험 결과 분석
4. 축소모형 실험을 통한 성능 평가
4.1 실험 개요
4.2 실험 장비
4.3 실험 방법
4.4 실험 결과
5. 결 론
1. 서 론
현재 국내에서는 산업의 발달로 인하여 주요 도심지는 물론 외각 도심지들까지도 건물들로 포화된 상태이다. 그로 인하여 현재 사람들의 관심은 지하 공간에 쏠리는 상황이다. 지하 공간의 대표적인 활용 방법으로는 터널이 있으며 이는 도심지에 전력 공급을 위한 전력설비 및 통신설비 등을 지하에 설치하므로 지상 공간 확보에 이점이 있다. 터널에 대한 연구는 최근 국내에서도 많이 이루어지고 있으며, 그 중 효과적인 시공을 하기 위하여 신기술 공법들과 같은 방법으로 보강공법이 점차 진화하고 있다.
기본적인 터널 공법으로는 NATM (New Austrian Tunneling Method) 공법 및 TBM (Tunnel Boring Machine) 굴착공법이 있다. 현재는 TBM 공법이 각광 받는 추세이며, NATM 공법에도 장점이 뚜렷하게 나타나 현재까지도 많은 현장에서 사용되는 공법 중 하나이다. 하지만 NATM 공법은 발파 시 진동 및 소음이 많이 발생하며, TBM 굴착공법은 공기 및 공사비가 많이 소요된다는 단점이 존재한다. 이를 보완하기 위하여 ○○건설에서는 방호쉴드를 이용하여 TBM 선행 굴착 후 NATM 발파를 수행하는 방호쉴드 공법을 개발하였다(Kang Nung Construction and Gyeongdo, 2012). 이는 각 공법의 단점을 보완하기 위하여 개발된 공법으로 다른 공법에 비해 공기 감소 및 공사비 절감, 발파 시 진동 및 소음이 감소되며 안정성이 향상된다는 장점이 있다(Kong et al., 2020).
본 연구는 방호쉴드 공법의 축소모형 실험을 기반으로 한 연구로써, 방호쉴드 소재에 대한 성능 평가와 모형실험을 통한 발파 시 방호쉴드 공법의 진동에 따른 성능을 검토하였다.
2. 방호쉴드 공법의 개념
방호쉴드 공법은 NATM 공법과 TBM 공법을 병행하는 공법에 방호쉴드를 장착한 공법으로 다음 Fig. 1에 방호쉴드 기술의 개념에 대하여 설명하였다(Kang Nung Construction and Gyeongdo, 2019).
TBM 선행 굴진과 NATM 발파를 동시에 수행하는 방법은 Hybrid Tunneling이라고도 불리며, 지하공간 조성에 많은 장점을 제공한다. 먼저 TBM 선행 굴진으로 지반 조건을 실시간으로 확인할 수 있어 굴진 안정성을 증가시키고 후행의 NATM 발파에서 최적의 굴진 패턴을 결정할 수 있다. 또한 선행 굴진 단면의 자유면 효과와 전체 발파 규모의 감소로 인하여 진동과 소음을 저감 시킬 수 있다. Hybrid Tunneling의 발파 작업에 따른 TBM 장비 및 오퍼레이터의 안정성을 확보하기 위하여 방호쉴드와 같은 방폭구조체를 적용하였으며, 방호쉴드 공법의 시공 단계는 Table 1과 같다.
Table 1.
Protection shield construction method construction stage
3. 방폭튜브 소재에 대한 역학시험
3.1 시험 개요
본 시험은 NATM 공법과 TBM 공법을 결합한 방호쉴드 공법에 사용되는 방호쉴드의 소재에 대한 성능 평가이다. 방호쉴드에 사용되는 소재에 대한 인장, 인열 및 전단강도 등의 공학적 특성을 파악하여 내 ‧ 외피가 적합한지 검토하였으며, 만능시험기를 이용하여 시험을 진행하였다.
3.2 시험 장비
본 시험에서는 방호쉴드 소재의 특성을 파악하기 위하여 Fig. 2의 만능시험기를 사용하였으며, 시험에 따라 시험틀을 변경하여 진행하였다. Fig. 2(a)의 틀로는 인장, 인열 강도를 측정하였으며, Fig. 2(b)의 틀로는 전단강도를 측정하였다.
시험에 사용된 외피의 소재는 나일론이며, 내피의 소재는 PVC 타포린이다. 나일론은 가장 오래된 합성 섬유로서 폴리아미드계에 속하며, 거미줄보다 가늘고 마찰에 강하며 인장강도가 다른 섬유보다 월등하다. 양모보다 가볍고 젖어도 강도에는 변함이 없으며 탄력성과 보온성도 겸하고 있어 외피로 선정하였다. PVC 타포린은 고강력 폴리에스터사 기초포에 PVC로 코팅한 방수원단으로 인장강도 및 내한, 내열성에 우수하여 기후변화에 잘 적응한다. 또한, 인화점이 높아 고주파 용접이 용이하고 완벽한 방수가 이루어지며, 내구성이 장기간 사용이 가능하여 내피로 선정하였다. 인장 시험 및 인열 시험은 국가표준에 맞추어 시험기에 프로그램을 연결하여 속도를 조절하고 규격에 맞게 설정하여 시험을 진행하였으며, 전단강도 시험 또한 제작한 틀에 천을 규격에 맞게 잘라 시험을 진행하였다.
3.3 인장 시험
3.3.1 시험 조건
인장 시험은 KS K 0521 (2017)을 참고하여 시험을 진행하였으며, 가운데 부분이 찢어질 때의 최대 하중 및 신도 데이터를 얻었다. 시험은 동일한 방법으로 10회씩 진행하였으며, 시험 중 시편의 미끄럼 문제가 발생하면 그 결과 값을 지우고 추가 시험을 진행하였다. 시험 조건은 Table 2와 같으며 시험 시편은 Fig. 3과 같다.
Table 2.
Tensile test case
| Classification | Material |
Gripping distance (mm) |
Tensile speed (mm/min) |
Specimen size (mm) |
| Outer skin | Nylon | 200 | 100 | 260*50*0.6 |
| Inner skin | PVC tarpaulin | 200 | 100 | 260*50*0.5 |
3.3.2 시험 결과
인장 강도는 다음 식 (1), (2), (3)을 사용하여 구할 수 있다.
여기서, : 인장 강도
: 최대하중
: 파단점에서의 평균 신도
외피의 인장 시험 결과는 Fig. 4와 같이 최대 하중의 범위는 1,454.63~1,598.55 N으로 나타났으며, 최대 하중의 평균은 1,547.72 N으로 나타났다. 변위의 범위는 67.16~78.52 mm로 나타났으며, 변형률은 36.92%로 나타났다. 위의 식으로 인장 강도와 평균 인장 강도를 구한 결과, 인장 강도의 범위는 4.85~5.33 kPa로 나타나며 평균 인장 강도는 5.16 kPa로 나타난다.
내피의 인장 시험 결과는 Fig. 5와 같이 최대 하중의 범위는 968.04~1,211.78 N으로 나타났으며, 최대 하중의 평균은 1,092.75 N으로 나타났다. 변위의 범위는 40.16~47.77 mm로 나타났으며, 변형률은 21.28%로 나타났다. 위의 식으로 인장 강도와 평균 인장 강도를 구한 결과, 인장 강도의 범위는 3.23~4.04 kPa로 나타났으며 평균 인장 강도는 3.64 kPa로 나타난다.
3.4 인열 시험
3.4.1 시험 조건
인열 시험은 KS K 0536 (2019)를 참고하여 시험을 진행하였으며, 인장 시험과 똑같이 시험은 10회씩 진행하였다. 시험 중 시편의 미끄럼 등 문제가 발견되면 그 결과 값을 지우고 추가 시험을 진행하였다. 시험 조건은 Table 3과 같으며, 시험 시편은 Fig. 6과 같다.
Table 3.
Tear test case
| Classification | Material |
Gripping distance (mm) |
Tear speed (mm/min) |
Specimen size (mm) |
| Outer skin | Nylon | 76 | 300 | 203*76*0.6 |
| Inner skin | PVC tarpaulin | 76 | 300 | 203*76*0.5 |
3.4.2 시험 결과
외피의 인열 시험 결과는 Fig. 7에서 보이는 것처럼 버틸 수 있는 최대 하중은 557.17~860.49 N으로 나타났으며, 최대 하중의 평균은 728.27 N으로 나타났다.
내피의 인열 시험 결과는 Fig. 8과 같이 버틸 수 있는 최대 하중은 49.47~78.45 N으로 나타났으며, 최대 하중의 평균은 58.41 N으로 나타났다.
3.5 전단 강도 시험
3.5.1 시험 조건
전단 강도 시험은 Kang and Chang (2005)의 사진틀 전단시험을 참고하여 진행하였다. 제작된 틀의 규격에 맞게 Table 4와 같이 280*280 mm의 크기로 시편을 잘라 준비하였으며, 시편의 미끄러짐을 방지하기 위하여 시편의 네 면에 보 형태의 압축치구를 이용하였다. 전단 강도 시험의 시편은 Fig. 9와 같이 준비하였다.
Table 4.
Shearing strength test case
| Classification | Material | Tensile speed (mm/min) | Specimen size (mm) |
| Outer skin | Nylon | 300 | 280*280 |
| Inner skin | PVC tarpaulin | 300 | 280*280 |
3.5.2 시험 결과
외피의 전단 강도 시험 결과는 Fig. 10과 같이 최대 하중의 범위는 780.03~10,057.01 N으로 나타났으며, 최대 하중의 평균은 5,560.53 N으로 나타났다. 천의 신축성이 좋은 관계로 전단 강도 시험을 진행하였을 때 천이 찢어지지 않고 계속 늘어나서 정확한 전단 강도 측정은 불가하였지만, 최대 10,057.01 N까지 늘어나는 것으로 확인되었다. 변위의 범위는 103.98~121.49 mm로 나타났으며, 변형률은 41.13%로 나타났다.
내피의 전단 강도 시험 결과는 Fig. 11과 같이 최대 하중의 범위는 6,683.51~10,453.76 N으로 나타났으며, 최대 하중의 평균은 8,432.27 N으로 나타났다. 내피의 경우도 천의 신축성이 좋은 관계로 전단 강도 시험을 진행하였을 때 천이 찢어지지 않고 계속 늘어나서 정확한 전단 강도는 측정하지 못하였으며 최대 10,453.76 N까지 늘어나는 것으로 확인되었다. 변위의 범위는 118.00~127.67 mm로 나타났으며, 변형률은 43.84%로 나타났다.
3.6 시험 결과 분석
방호쉴드 소재의 성능 평가 결과는 Table 5와 같이 나타났으며, 소재의 강도 시험을 통하여 외피가 내피에 비하여 신율이 좋기 때문에 외피가 견딜 수 있는 최대 압력보다 낮은 압력에서 내피가 손상될 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 내피와 외피의 상호거동에 대한 소재의 안정성 검토가 필요할 것으로 판단된다.
4. 축소모형 실험을 통한 성능 평가
4.1 실험 개요
본 실험은 NATM 공법과 TBM 공법을 결합한 방호쉴드 공법에 대한 실험이다. 방호쉴드는 Fig. 12와 같으며 NATM 확공 시 발파 영향을 최소화하여 TBM 장비 및 후방 시설을 보호하기 위한 장치로 방폭튜브라고도 부른다(Kang Nung Construction, 2022). 이는 기존 NATM 공법과 TBM 공법을 결합한 타 시공법들과 달리 방호쉴드를 사용하여 TBM 장비가 선행 굴착 후 다시 후방으로 빼내지 않아도 되어 공기 및 공사비 감소에 효과를 보이며, 소음과 분진, 진동을 막아내는 효과로 안정성과 환경적인 요소에 강점을 보인다. 본 실험에서는 축소모형을 사용하여 터널 발파 시 진동에 따른 방호쉴드 공법의 진동 감소량에 대한 성능을 검토하였다.
4.2 실험 장비
4.2.1 축소모형 제작
방호쉴드 축소모형은 다음 Fig. 13과 같이 1,000*1,500*1,000 mm의 크기로 제작되었으며 실제 장비와의 비율은 5:1로 축소하여 제작하였다. 외벽으로 위치한 원형 철 재질의 강관은 TBM 굴착 후 터널 외벽을 의미한다.
TBM 굴착 후 NATM 확공 발파 시 발생하는 진동의 거동을 파악하기 위하여 센서를 활용하였다. 방호쉴드의 유 ‧ 무에 따른 진동파의 거동 파악을 위하여 다음 Fig. 14와 같이 축소모형 실험 장비에 가속도계를 부착하여 데이터를 산정하였다.
다음 Fig. 15는 축소모형 장비에 부착한 가속도계와 데이터를 산정하기 위해 사용한 데이터로거이다.
4.2.2 축소모형 진동 모사
실제 현장에서 발생하는 진동을 모사하기 위하여 축소모형 전방에 진동을 가하는 지점을 위치하였다. 추를 낙하시켜 진동을 가하였으며, 추는 195 mm, 320 mm, 560 mm의 세 위치에서 다짐 해머를 낙하시킨 후 데이터로거를 사용하여 진동가속도계에 측정되는 진동량을 측정하였다. 각 위치에서 다짐 해머를 낙하시켰을 때의 충격량은 가속도의 법칙을 사용해 구하였다. Fig. 16은 다짐 해머의 사진이며, Table 6은 Case 별 충격량을 나타낸 것이다.
Table 6.
Impact amount by case
| Classification | Weight (kg) | Drop height (mm) | Drop time (s) | Acceleration (m/s2) | Impulse (N ‧ s) |
| Case 1 | 7.5 | 195 | 0.48 | 4.71 | 35.33 |
| Case 2 | 7.5 | 320 | 0.61 | 5.98 | 44.85 |
| Case 3 | 7.5 | 560 | 0.66 | 6.47 | 48.53 |
축소모형 실험을 진행할 때 진동을 가하는 지점은 다음 Fig. 17과 같다.
4.3 실험 방법
본 실험은 TBM 선행 굴진 후 NATM 공법으로 확폭 시공을 진행 하였을 때 방호쉴드의 유 ‧ 무로 인하여 발생하는 보강 효과 분석을 진행하였으며, 방호쉴드 내 압력에 차이를 두어 방호쉴드의 유 ‧ 무를 나타내어 진동파의 전달효율을 파악하였다. 진동이 발생하는 시점으로부터 첫 부분과 끝 부분인 A, B 두 위치에 가속도계를 부착하였다. 실험 Case는 Table 7과 같이 방호쉴드에 압력이 있을 때와 없을 때를 나누어 실험을 진행하였다.
Table 7.
Experiment case
| Classification | Inflatable structure pressure |
| Case 1 | Non-inflated (no protective shield) |
| Case 2 | Inflated (with protective shield) |
각 Case 별 실험을 방호쉴드 내부에 있는 Fig. 18과 같은 공기주입구를 이용하여 방호쉴드의 압력을 조절하였다.
각 Case 별로 Table 6과 같이 세 번의 충격을 가하였을 때 방호쉴드의 유 ‧ 무에 따른 진동파의 차이가 있는지 측정하여 비교하였다. Fig. 19는 축소모형 실험 사진이며, Fig. 19와 같이 가속도계를 축소모형에 부착한 후 진동을 가했을 때의 진동을 데이터로거로 측정하였다.
4.4 실험 결과
실험 결과는 Figs. 20 and 21, Table 8과 같이 나타났다.
Table 8.
Scale model experiment results
| Classification | Minimum (m/s2) | Maximum (m/s2) | |
| Case 1 | A point | -0.46 | 0.33 |
| B point | -1.62 | 0.19 | |
| Case 2 | A point | -0.14 | 0 |
| B point | -0.09 | 0.05 | |
결과를 보면 방호쉴드가 비팽창 되어 있을 때는 진동 가속도가 -1.62~0.323 m/s2까지 변화하는 것을 볼 수 있다. 반면 방호쉴드가 팽창되어 있을 때는 진동 가속도가 -0.14~0.05 m/s2까지만 변화하여 진동의 폭이 작은 것을 알 수 있다. 따라서 방호쉴드가 없을 때보다 방호쉴드가 있는 방호쉴드 공법이 진동 감소에 더욱 효과적인 것을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 NATM 공법과 TBM 공법을 결합한 방호쉴드 공법에 대한 연구를 진행하였으며, 방호쉴드의 소재에 대한 강도 시험과 축소모형을 이용하여 방호쉴드 공법의 진동 감소에 대한 실험을 진행하였다. 소재에 대한 강도 시험과 모형실험에 대한 결과는 다음과 같다.
1. 방호쉴드의 소재에 대한 강도시험 결과 외피에 사용되는 나일론의 경우 내피에 사용되는 PVC 타포린에 비하여 신율이 높게 나왔으며, 이는 공기를 잡아주는 내피가 보호막 역할을 하는 외피보다 더 적게 늘어난다는 것을 뜻한다. 따라서, 내피가 압을 버티지 못해 손상이 가해졌더라도 외피는 계속 늘어나 육안으로 확인할 수 없다는 문제점을 확인할 수 있었다.
2. 결과 1에서 발견된 문제를 해결하기 위해 외피의 데니아 수를 높여 외피의 인장강도를 더욱 증가시키거나, 실제로 방호쉴드 공법을 사용할 때 내피가 터지지 않을 만큼의 압을 사용하여 공법의 안정성을 보완하여야 한다는 결론을 도출할 수 있다.
3. 향후 연구에서 내피가 버틸 수 있는 최대 압력에 대한 검토 및 방호쉴드 소재의 안정성에 대한 검토가 이루어져야 할 것이다.
4. 방호쉴드 축소모형 실험을 통하여 방호쉴드의 팽창 유 ‧ 무에 따른 진동 가속도를 분석하였으며, 그 결과로서 방호쉴드 팽창 시 비팽창 대비 약 8~15%정도의 진동 감소율을 보였으며 평균적으로 11%의 진동 가속도가 감소됨을 확인하였다.
5. 방호쉴드 축소모형 실험에서 방호쉴드의 유 ‧ 무에 따른 진동 감소의 효과를 확인하였으나, 실제 지반에서도 진동과 소음에 대한 현장시험을 실시하여 연구 결과와의 비교 및 검토가 이루어져야 할 것이다.
6. 본 연구에서 효과적인 TBM/NATM Hybrid Tunneling 공법의 개발에 유용하게 활용되기를 기대한다.
