1. 서 론

시설물안전법에 의거한 시설물의 정밀안전진단과 그에 따른 유지관리는 다양한 공법과 재료의 개발로 구조물별 적합한 조사방향 및 평가체계는 지속적으로 업데이트 되고 있다(KALIS, 2021). 터널 세부지침 적용대상의 대부분은 개착터널과 NATM터널이 주를 이루고 있다. 일제강점기 전후 방수체계 없이 목재 및 강재지보를 사용한 재래식터널이 일부 철도터널에 운용 중이며, 1990년 TBM (Tunnel Boring Machine)을 광주지하철에 도입한 이후 지하철 11개 구간에서 사용하고 있다. 터널 상태평가는 라이닝을 이루고 있는 재료(조적, 무근콘크리트, 철근콘크리트), 시공방법(굴착, 개착)의 특징을 반영하고 있으나 평가점수의 78%가 재료적 특징에 주안점을 두고 작성되는 한계가 있다. 또한, 현장타설되는 재래식터널 및 NATM터널의 콘크리트라이닝과 달리 TBM터널의 세그먼트라이닝은 고강도 철근콘크리트 공장제품임에도 불구하고 기존 상태평가체계를 사용하는 문제점이 대두되고 있다(Choo and Lee, 2019; Choo et al., 2019a). TBM터널 세그먼트라이닝 결함은 발생 시기별로 구분하는 것이 기존 연구의 공통된 기술방향으로 본 논문에서는 다음의 세 가지 단계를 설정하여 구분하였다. 즉, 공장제작, 야적, 이동과정에서 발생하는 경우를 제작단계라 일컫고, 조립, 굴진 및 그라우팅 등의 과정을 시공단계, 준공 이후에 결함이 확인될 수 있는 시기를 운용단계로 구분하였다.

Shayanfar et al. (2017)은 콘크리트의 재료적인 특징을 포함하는 타설, 양생, 철근 조립의 생산단계와 이동에 따른 파손 및 균열의 운송단계로 세분화하여 결함을 분석하였으며 Sugimoto (2006)는 50개 TBM터널 현장을 분석하여 설계 원인 12가지와 시공 원인 8가지로 구분하여 결함을 세분화하였다.

몇몇 연구자들은 개별적인 결함원인을 보다 상세하게 분석하였는데 Iasiello et al. (2018)은 링 선형오류, 조인트 열림, 파손(Ruptures), 균열의 4가지 항목에 대해 기구를 제작하여 측정 및 평가방법을 제안하였다. Yang et al. (2018)은 균열발생과 더불어 세그먼트 단차에 대해 전체 설치된 링에서 결함 있는 링의 분포 정도와 반지름이 원형에서 벗어난 정도를 함께 분석하여 유지관리 우선순위를 판단하였다. Kolic and Mayerhofer (2009)는 단면의 변형(세그먼트 단차, 링 형상변형) 이외에 설계단계에서 고려되어야 할 모든 편심들과 시공단계에서 발생될 수 있는 편심 허용기준들도 제시하였다.

Chen and Mo (2009)는 추진잭 압이 작용된 시공상태와 링간 비틀림에 의해 횡방향 세그먼트 이음부, 볼트홀 주변으로 균열 발생 및 진행을 다양한 수치해석으로 구현하였다. Zhao et al. (2016)은 볼트 정착부에 유연한 쿠션와셔를 사용하여 결함발생 원인을 감소시킬 수 있음을 제안하였다. 반면에 Bernhard et al. (2012)과 Lorenzo (2020)는 하중 조건에 따라서 링 조립을 위한 임시적인 볼트는 운용단계에서 유효단면에 부정적인 영향을 줄 수 있음을 분석하기도 하였다. TBM 추진을 위해 기 설치된 세그먼트라이닝에 패드를 완충재로 사용하여 원주를 따라 설치된 유압잭에 압력을 가하게 된다. 이때 기 설치된 링의 불균형한 조립면으로 인해 균열과 파손이 발생됨을 수치해석으로 원인을 규명하였으며 불균형한 면의 허용범위를 제시하여 결함발생을 줄이고자 하였다(Cavalro et al., 2011; DAUB, 2013). 세그먼트 조립에서 균열 감소를 위해서는 Key 세그먼트를 12~17도 경사로 삽입하며 링축과 TBM축이 5도 이상을 벗어나지 않아야 한다는 분석결과도 제시하였다(Mohtadinia et al., 2020). 특히, 지반과 맞닿아 있는 세그먼트라이닝 배면, 세그먼트 횡방향 접속부, 링간 접속부는 설치 이후 유지관리가 곤란하여 링의 지지력, 수압으로부터 수밀성, 내구수명을 확보 할 수 있는 단면, 지수재, 콘크리트, 보강재 등의 부식 및 열화에 대한 저항성을 고려하여 유지관리 하도록 요구하고 있다(DAUB, 2013).

운용단계에서 Arnau (2012)는 세그먼트 접속부 경계조건을 비선형 수치해석으로 현장 측정값과 유사하게 보정하여 균열 및 거동을 분석하였으며, 다양한 비파괴 시험들로 배면그라우팅의 충진상태(Davis et al., 2005; Aggelis et al., 2008; Kravitz, 2018) 및 결함과 연관성을 분석하였다. Wang et al. (2019)은 조립된 링의 세그먼트 단차에 따라 하중변화와 균열의 양상을 3가지 형태로 구분하여 모델과 수치해석으로 구현하였다. Wu et al. (2020)은 세그먼트 이음부 누수를 5가지 유형으로 구분하여 제안한 누수 요소를 이용하여 터널 및 지표 침하를 산정하였다.

TBM터널과 관련된 많은 자료가 선진기술을 선도적으로 적용한 해외에서 주로 기록, 관리, 분석되고 있으나 국내에서는 결함특성 및 원인분석을 NATM터널과 동일하게 유지관리하고 있어 금번의 현장조사 결과를 반영한 제작, 시공, 운용단계의 구조물 특성이 반영된 결함분석으로 향후 정밀안전진단 및 안전점검에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 운용중인 국내 지하철 TBM터널

2.1 NATM터널과 구분되는 TBM터널

NATM터널은 지반에 따른 지보패턴을 개략적으로 구분하여 발파로 굴착하지만 TBM터널은 대개 24~28개의 유압 추진잭을 기존 세그먼트에 걸쳐 밀며 커터헤드를 회전하여 막장면을 앞으로 이동하게 된다. NATM터널은 굴착면 안정을 위해 숏크리트 및 록복트 등의 1차 지보재를 설치하고 방수재를 설치한 이후에 콘크리트라이닝을 현장에서 타설하여 2개의 층을 지니는 구조물이다. 반면에, TBM터널은 다수의 세그먼트로 조립되는 링의 단일 층으로 모든 하중과 내구수명 동안의 변화를 지지하는 구조물이다. NATM터널의 현장타설 라이닝 두께를 보완하기 위해 천단 그라우트를 사용하는 것과 유사하게 TBM터널에서는 쉴드 내에서 조립된 링이 테일보이드를 나오는 순간 겔타임을 조정하여 굴착면과 링외측면 사이를 그라우트로 가압하여 채우게 된다. 굴착면의 유수 및 불충분한 채움으로 인한 결함이 발생되는 경우 2차 채움이 가능하도록 세그먼트마다 설계된 그라우트홀의 끝단을 관통하여 주입하게 되나 운용단계의 유지관리 현장에서는 누수의 지속적인 원인이 되기도 한다. 고강도 세그먼트라이닝의 설계기준강도는 40~45 MPa이며 세그먼트 조립에 따른 접합면 차수를 위해 수팽창지수재 및 EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer)을 2~3열로 배치하여 조립하게 된다. NATM터널과의 개략적인 비교는 Table 1과 같다.

2.2 운용중인 국내 지하철 TBM터널

운용중인 지하철 TBM터널은 Table 2와 같이 단선병렬의 외곽직경이 7.1~7.8 m로 연장에 따라 연결통로를 지니고 있는 것으로 확인되었다. 세그먼트의 폭은 1.2~1.5 m이며 두께는 0.3~0.4 m가 지반조건 및 시공조건 등을 고려하여 설계되었다. 계획 노선에 따른 곡률반경이 250~3,000 m로 이음부의 기준관리를 위해 표준링:테이퍼링의 비율이 2:1에서 10:1를 적용하여 시공된 것으로 자료조사 되었다. 운용 중 설치된 테이퍼 링을 확인하기 곤란하여 조립 시에 식별할 수 있는 관리방안을 마련하는 것이 필요할 것으로 검토되었다. 초기 국내 현장에서는 좌 ‧ 우 구분 없이 테이퍼를 사용하였으나 최근에는 좌우방향을 설계단계에서부터 계획하며 직선구간에서도 10% 미만을 사용하여 현장여건을 반영하고 있는 추세이다. 본 논문의 범위가 정기점검 수준의 외관조사 및 짧은 현장조사 기간의 연구 내용으로 향후 정밀안전진단 수준의 자료검증과 다양한 분석으로 세분화된 판단과 유지관리 대책이 강구될 수 있을 것이다.

3. TBM터널의 세그먼트라이닝 결함특성

3.1 균열

재래식터널, NATM터널 및 개착식터널과 다르게 TBM터널의 시공 여건에 따른 균열 특징을 현장조사 내용 및 국외자료를 함께 분석하여 다음의 7가지로 구분하였으며 현장 별 확인사항을 Table 3과 같이 기술하였다. Type 1은 추진잭압 집중으로 발생되는 균열, Type 2는 Key 세그먼트 압입에서 발생되는 균열, Type 3은 횡방향 세그먼트 단차로 인한 균열, Type 4는 볼트체결관련 균열, Type 5는 배면 그라우팅 채움부족의 원인으로 발생되는 균열, Type 6은 공장제작 및 운송관련 균열, Type 7은 불균등한 세그먼트 조립면으로 발생되는 균열을 기존 문헌과 현장조사 내용으로 설명하였다.

3.1.1 Type 1 : 추진잭압 집중에 따른 균열

Boring Machine의 추진력은 세그먼트 두께로 형성되는 원주에 24~28개의 유압잭 힘에 대한 반력으로 굴진 하게 된다. 커터헤드를 상 ‧ 하, 좌 ‧ 우로 조정하거나 굴진되는 면의 지반 변형계수 차이로 굴착량이 달라짐에 따라 동일한 유압에도 상이한 반력이 세그먼트에 작용하게 된다. 이러한 설계기준 이상의 불균형력의 추진잭 받침패드 폭(0.5~0.6 m) 주변으로 Fig. 1과 같이 종방향균열 형태로 발생된다.

Fig. 1(b)와 같이 일정한 간격을 두고 측벽 좌우위치에 등간격으로 조사되었으며 폭 0.3 mm 전후로 발생되나 미세균열의 특징이 우세하다. 미세균열에 대한 보수는 표면처리 형태로 유지관리되고 있었으나 보수효과가 낮은 부위에서 철근부식의 원인으로 박락이 확인되었다. 세그먼트라이닝의 내구수명을 위해서는 초기 Type 1의 균열은 공기층을 차단할 수 있는 부착력이 높은 재질의 보수가 요구된다.

Fig. 1.

Crack by thrust jacking concentration (Type 1)

3.1.2 Type 2 : Key 세그먼트 압입에 따른 균열

국내 시공된 TBM터널에서는 하나의 링(Ring)은 4개 표준세그먼트, 2개 조절세그먼트, 1개 Key 세그먼트로 시공되었다. Key 세그먼트를 마지막에 끼워 넣는 방식으로 접합부 모서리가 파손되기 쉽고 설치된 이전 링의 불균등한 원주면은 Key 세그먼트 압입으로 응력이 집중되기도 한다. Key 세그먼트 압입으로 맞닿는 면에 이전 링에 Key 세그먼트 폭만큼의 종방향균열이 발생되기도 한다. 또한, Key 세그먼트 폭보다 작은 조절세그먼트 사이 공간(Fig. 2(a)에서의 counter key segment 부분 참조)에 압입하는 경우 조절세그먼트의 파손과 더불어 세그먼트 조립방향인 원주방향으로 압축력 및 삽입방향의 압축력이 작용하여 균열이 발생하게 된다.

Key 세그먼트 짧은변의 사각형이 맞닿고 있는 이전링에 응력집중이 발생되어 Fig. 2(b)와 같은 균열이 조사되었다. 균열폭이 0.3 mm 이상으로 팩커를 이용한 주입보수로 유지관리하고 있었으나 공용년수의 증가로 보수재와 세그먼트라이닝 사이가 분리되는 상태가 간헐적으로 조사되었다.

Fig. 2.

Crack related key segment insertion (Type 2)

3.1.3 Type 3 : 횡방향 세그먼트 단차에 따른 균열

세그먼트 조립 시 원주방향 단면변화는 압축력의 편심(세그먼트 단차로 인한 차이) 및 링 형상변형(Ovalization)으로 인해 Fig. 3과 같이 세그먼트간 이음부 주변으로 종방향균열이 발생하게 된다. Wang et al. (2019)은 모의시험 및 수치해석으로 세그먼트 단차에 의해 응력불균형력이 증가하여 종방향균열이 발생하는 것으로 분석하였다. 볼트이음의 영향을 검토하기 위해서는 세그먼트 단차 및 링 형상변형을 함께 분석하여야 한다.

Fig. 3.

Crack by transverse dislocation of segment (Type 3)

3.1.4 Type 4 : 볼트체결 관련 균열

입출구부, 연결통로와 같은 변형에 상대적으로 취약한 곳을 제외하고는 임시적인 볼트 역할(Bernhard et al., 2012)은 지수와 형상유지를 위해 설계 및 시공된다. 공용단계의 볼트부식, 체결 및 변형에 따른 과도한 집중응력(Fig. 4(a)에서 F2+F3 참조)으로 볼트홀 주변에 불규칙한 균열이 발생될 수 있으며 Type 3의 불균등한 하중으로 균열이 세그먼트 폭 전체로 발생하는 경우도 확인되었다. 정밀안전진단에서 거동이 예상되는 구간 이외에서 부식팽창이 확인되는 경우 단면복원 시 볼트교체 및 제거를 검토하는 것이 바람직하다.

Fig. 4.

Crack related with bolt connection (Type 4)

3.1.5 Type 5 : 배면 그라우팅 채움불량에 따른 균열

세그먼트라이닝 외측에서 굴착면 사이 공간은 그라우트로 채워지게 되나 채움부족 및 불균형한 채움으로 응력집중 및 불균형으로 제어되지 않는 균열이 발생되기도 한다. Iasiello et al. (2018)은 채움부족으로 균열폭 0.35 mm 이상의 연속균열(Fig. 5(a)에서 균열 참조) 그룹을 분석하였으며 진행성은 없는 것으로 계측하였다. 국내 현장에서는 해당결함은 확인되지 않았다. 기존터널의 라이닝두께 및 배면상태는 GPR탐사가 보편적으로 사용(Choo et al., 2019b)되나 세그먼트라이닝 복철근의 신호교란으로 적용 한계가 있어 Aggelis et al. (2008)과 같은 비파괴 시험방법의 현장 적용성에 대한 연구가 필요한 실정이다.

Fig. 5.

Crack caused by unfilling grouting (Type 5)

3.1.6 Type 6 : 공장제작 및 운송관련 균열

시공 중 발생되는 균열원인 이외에 제작 및 운반과정 중에 발생하는 균열은 Fig. 6과 같이 거의 모든 문헌에 보고되고 있는바 국내 현장에서도 발생되었을 것으로 추정할 수 있다. 다만, 시공시의 유지관리 이력이 상세히 관리되고 있지 않아 이를 판단하는 것은 어렵다. 따라서 향후 반입시점에서의 세그먼트 외관 품질상태, 준공시점에서의 링별 외관조사망도를 별도 관리하여 발생원인을 보다 상세히 분석할 수 있을 것이다.

Fig. 6.

Crack related with production stage (Type 6, Shayanfar et al., 2017)

3.1.7 Type 7 : 접촉면의 불균형력으로 인한 균열

한 개의 링은 볼트 및 맞물림 홈으로 매우 정교하게 조립되나 선형변화, 곡선, 조립품질 정도에 따라 평탄하지 못한 링간의 접촉면을 발생시킨다. 이러한 공간은 지점조건의 변화와 불균형한 응력을 초래하여 변위가 큰 인접영역에서 인장균열(Fig. 7(b) 참조)이 발생된다. 시공초기에 발견될 수 있는 사항이며 운용단계에는 링 조립상태를 평가하여 발생원인을 분석할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Crack by uneven contact surface (Type 7, Cavalaro et al., 2011)

3.2 누수

정밀안전진단에서 검토 될 수 있는 누수는 7가지로 구분하였으며 Table 4와 같다. Type 1은 링내 횡방향 이음의 누수, Type 2는 링간 이음의 누수, Type 3는 Type 1과 Type 2가 교차하는 영역의 누수, Type 4는 균열 및 모서리 파손의 결함부 누수, Type 5는 연결통로 이음부의 누수, Type 6는 볼트 및 그라우트홀의 누수, Type 7은 하부 도상 및 배수체계와 관련된 누수를 기존 문헌과 현장조사 내용으로 설명하였다.

3.2.1 Type 1 : 세그먼트 횡방향 접합부 누수

링 조립에서 Key 세그먼트 조립 이전의 오차와 링 완성 이후 쉴드 테일보이드를 지난 불균등한 주변 지반의 하중으로 링 형상변형이 야기될 수 있다. 변형정도에 따라 이음열림(opening)이 동반되거나 지수재 위치 이동 및 훼손으로 Fig. 8과 같이 누수가 발생될 수 있다. 2차 채움 이전에 접합부 누수가 일반적으로 조사되는 점을 감안하여 초기점검에서 단계별 유지관리 이력을 상세히 작성하여야 한다.

Fig. 8.

Leakage in transverse connection of segment (Type 1)

3.2.2 Type 2 : 종방향의 링 접합부 누수

배면 그라우트는 채움방식에 따라 3~4개의 링조립 후 하부, 측벽, 천단의 순으로 양생시간을 두고 세그먼트 배면에 그라우팅을 주입하거나 테일보이드를 벗어나는 시점에서 원주를 따라 4개의 주입관에서 동시에 주입하기도 한다. 하지만, 세그먼트 굴착지반특성(단층 및 유로 등) 및 그라우팅의 상태에 따라 링간 이격이 발생 될 수 있다. 곡선구간 및 경사조정에 따른 세그먼트로 구성되는 링축과 TBM의 지반 굴착방향인 쉴드축의 관리기준을 넘어서는 경우도 Fig. 9와 같이 Type2의 누수가 발생하기도 한다(Yang et al., 2018).

Fig. 9.

Leakage in longitudinal connection of segment (Type 2)

3.2.3 Type 3 : 횡방향 세그먼트 이음과 종방향 링 이음 접속부의 누수

Type 1~2의 원인으로 링 및 세그먼트 접합부에서 Fig. 10과 같이 누수가 발생되는 것으로 구분할 수 있으며 발생원인이 동시 또는 개별적이기도 하다.

Fig. 10.

Leakage in transverse and longitudinal connection of segment (Type 3)

3.2.4 Type 4 : 균열 및 모서리 파손 등의 결함부 누수

Type 1~3의 누수와 달리, Type 4의 누수는 제작, 시공, 운용단계에서 발생될 수 있는 결함에서 야기되어 배면으로부터의 침투수 이동이 가능한 균열, 차수성이 결여되는 세그먼트 모서리 박락 및 파손 위치에서 Fig. 11과 같이 조사된다. 이러한 결함은 초기점검에서 확인 될 수 있으며 준공전에 대부분의 결함이 우레탄주입보수를 시행하고 있는 것으로 확인되었으나 효과가 길지 않아 정밀안전진단 및 점검의 시점에서는 누수가 재발생하였다.

Fig. 11.

Leakage via crack and spalling of segment (Type 4)

3.2.5 Type 5 : 연결통로 세그먼트 접속부 누수

단선병렬의 상행선 및 하행선의 지하철은 대피 및 유지관리를 위해 연결통로를 설계, 시공한다. 하지만 비배수 TBM터널의 연결통로는 유지관리 관점에서 누수에 취약한 지점이며 건설 중 리스크도 높은 부대시설이다. 강재 세그먼트를 설계위치에 설치한 이후에 연결통로 부위만을 제거한 후 지반을 미진동 굴착으로 연결하게 된다. 세그먼트라이닝은 하나의 라이닝으로 하중지지, 차수역할도 가능하나 연결통로 관통구간의 차수성능 감소와 차수공법이 적용된 보강지반의 열화로 Fig. 12와 같이 누수가 발생된다. 일부 현장에서는 유입수량이 많아 연결통로 하부에 집수정을 설치하여 별도배관으로 배수하고 있어 보조펌프 관리 등이 주요한 유지관리 항목이 되어야 한다.

Fig. 12.

Leakage related connecting passage (Type 5)

3.2.6 Type 6 : 볼트 및 그라우트 홀 누수

세그먼트 접속부에는 볼트홀로 배출되는 경우(Fig. 13(b)참조)와 2차 채움이후 그라우트 홀의 지수가 효과적이지 못한 경우(Fig. 13(a)참조)의 누수는 사용시기 전반에 발생되기도 한다. 그라우트 홀의 잔여두께는 대략 25 mm정도로 2차 채움 시 세그먼트를 뚫고 주입재를 채우게 되나 유지관리 시에는 누수경로가 되어 2차 채움 결정에 유효한 비파괴시험 등의 우선적인 검토 후 결정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

Fig. 13.

Leakage in bot and grout hole area (Type 6)

3.2.7 Type 7 : 인버트 세그먼트라이닝 누수에 따른 바닥콘크리트 접합부의 체수

인버트는 세그먼트위에 무근 및 구조체를 위한 최소철근배근으로 시공되는 바닥부는 누수 및 열차진동에 의해 세그먼트라이닝과 접속부에 누수흔적의 형태(Fig. 14(a)참조)로 조사된다. 세그먼트와 달리 인버트의 세그먼트 이음에서 유입된 누수가 도상으로 체수되는 경우(Fig. 14(b)참조) 및 유량이 많은 곳에 설치되었을 것으로 추정되는 구간에는 부분적으로 수압감소를 위한 배수관을 설치하여 운용되고 있는 것으로 확인되었다(Fig. 14(c)참조). 비배수터널의 특수성을 고려하여 누수가 심한 경우 그라우트 홀을 활용한 2차 채움으로 적극적인 차수대책으로 공용년수를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 14.

Leakage and still water in invert area (Type 7)

3.3 파손 및 손상

시설물안전법 세부지침의 파손 및 손상은 현장타설되는 라이닝 두께에 관한 내용으로 공장제작되어 일정한 두께를 확보하는 세그먼트라이닝은 다른 관점으로 검토되어야 한다. 즉, 세그먼트라이닝의 제작, 운반, 설치, 공용중의 재질열화로 인한 박락/파손(쪼개짐)으로 검토하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다. 세그먼트라이닝의 두께는 Iasiello et al. (2018)이 제안한 바와 같이 지수재의 위치와 훼손 여부를 확인해야 하여, 축력 전달을 위한 유효두께가 적정한 지를 검토하는 것이 바람직할 것이다. 기존문헌과 현장조사 결과를 반영하여 Table 5와 같이 Type 1은 추진잭압 패드부 박락, Type 2는 모서리 박락, Type 3은 불균등한 세그먼트 조립면이 원인이 되는 파손 및 손상을 설명하였다.

3.3.1 Type 1 : 추진잭압 패드부 박락

커터헤드 진행방향 반대로 지지되는 추진잭의 받침패드(약 15도 간격, 길이 0.5~0.6 m)에서 일정한 위치 및 간격으로 Fig. 15와 같이 박락이 발생되며 박락 깊이를 고려한 단면복원방안을 검토해야 한다. 편심이 작용한 추진잭 위치에서 발생되는 경우가 일반적으로 시공 시에는 편심을 상쇄시킬 수 있는 받침패드의 개선 및 굴진 시 유압잭에 편향되거나 기준 이상의 압력이 가해지지 않도록 관리방안을 강구해야 한다.

Fig. 15.

Spalling/chipping by concentration of thrust jacking (Type 1)

3.3.2 Type 2 : 모서리 박락

고강도콘크리트의 특성은 압축강도는 높지만 충격에 취약하며 모서리 부분이 쉽게 쪼개져 박락이 발생될 수 있다. 이러한 박락은 단일층의 세그먼트 차수성과 압축력을 전달하는 부재단면을 감소시켜 구조적인 불안전성을 높일 수 있어 Iasiello et al. (2018)이 제안한 것과 같이 박락깊이(Fig. 16(a)의 L2 참조)에 대한 평가가 중요하며 이를 정밀안전점검 및 진단에 평가인자로 반영하여 평가하여 한다. 또한, 박락의 범위가 큰 경우에는 주철근의 노출과 더불어 방수체계를 동시에 고려한 보수방법을 적용하는 것이 바람직하다.

Fig. 16.

Spalling/chipping in edge of segment (Type 2)

3.3.3 Type 3 : 접촉면의 불균형력으로 인한 박락

추진잭 압의 영향거리는 굴착지반 상태에 따라 10~20링으로 Type 7의 균열이 지속적으로 불균형한 하중을 받는 일정하지 않은 단면과 맞닿는 경우 Fig. 17과 같이 박락이 발생될 수 있다. 운용단계에서는 그 원인을 파악하기 곤란하나 시공단계의 링별 시공이력 관리로 원인분석이 가능할 것으로 유지관리 대책에 포함되어야 한다.

Fig. 17.

Spalling/chipping by uneven contact surface (Type 3, Cavalaro et al., 2011)

3.4 부식

세그먼트라이닝의 부식은 공장제작 시 피복두께 품질미흡, 이동 및 설치 시 미세균열로 인한 열화가속에 따른 부식, 해수 및 제설제 등의 염해로 인한 부식, 미세균열부 누수의 동결 융해로 인한 부식 등을 검토할 수 있다. 기존문헌과 현장조사 결과를 반영하여 Table 6과 같이 Type 1은 공장제작 피복 품질관리 미흡에 따른 부식, Type 2는 연결재의 부식, Type 3은 도상 및 엔트란스 팽킹의 기타시설에 대한 부식을 설명하였다.

3.4.1 Type 1 : 피복부족에 따른 부식

공장제작되어 세그먼트라이닝의 품질이 모두 설계기준에 부합될 것으로 여겨질 수 있으나 Fig. 18과 같이 초기 국내 TBM터널에 설치된 세그먼트의 스터럽철근의 피복관리 미흡이 상당수 조사되었다. 향후 세그먼트 품질검수 단계에서 철근배근 및 피복을 비파괴 시험장비로 쉽게 검증할 수 있는 바 적극적인 관리기준 적용이 요구된다.

Fig. 18.

Corrosion by poor management in segment cover (Type 1)

3.4.2 Type 2 : 연결재의 부식

세그먼트를 연결하는 볼트는 아연도금되어 제작되나 터널 환경에 따라 부식상태가 취약할 수 있으며 Fig. 19와 같이 볼트부식으로 인한 균열 Type 3, 4의 결함이 조사되기도 한다. 초기 TBM터널의 경우 곡볼트가 M22 L = 350 mm를 주로 사용하였으나 최근에는 M24로 볼트홀도 확대되어 결함의 특수성을 지닐 수 있으며, 부속철물 부식에 따른 유효단면적의 평가기준과 유지관리 시 링 형상변형으로 인한 Type 4균열이 확대되는 경우 볼트 제거 등의 유지관리를 검토하여야 한다.

Fig. 19.

Corrosion in bolt (Type 2)

3.4.3 Type 3 : 기타 시설 부식

세그먼트라이닝 이외에 TBM터널에 부식이 확인된 부위는 Fig. 20과 같이 도상콘크리트와 굴진 시종점부에 설치한 엔트란스 패킹시설이다. 구조체의 직접적인 영향은 없으나 열차 운행의 사용성 문제가 될 수 있어 부식정도에 따른 제거 및 내구성능 향상의 보수를 계획하여야 한다.

Fig. 20.

Corrosion in ancillary facilities of TBM tunnel (Type 3)

4. 결 론

TBM터널로 운용중인 지하철 11구간에 대한 자료조사 및 합동점검으로 확인된 결함을 분석하여 균열, 누수, 파손 및 손상, 부식의 발생형태, 원인, 향후 유지관리 등의 제언은 다음과 같다.

1. 균열은 7가지 유형으로 구분하였으며 국내현장 이외의 국외사례를 포함하였다. TBM의 추진잭 하중, 세그먼트 연결의 경계조건, 공장제작과정의 관리상태, 조립상태 등이 주요한 원인으로 분석하였다.

2. 7가지 누수 형태의 특징은 세그먼트 조립으로 형성되는 링과 라이닝이 다수의 접합부, 결함, 연결통로의 접속부, 시공을 위한 볼트홀 및 그라우트홀, 인버트위에 시공되는 바닥부로 인한 누수 유형을 지니는 것으로 분석되었다.

3. 고강도콘크리트의 세그먼트는 충격에 취약한 특성을 내재하고 있어 적재, 운반, 시공과정에서 결함이 발생되고 있음을 3가지의 형태로 구분하였으며 추진잭 압력 분포, 운송 및 설치시의 충격, 조립상태에 따라 발생되는 것으로 분석하였다.

4. TBM터널에서 고려될 수 있는 보강재 철근, 볼트, 도상콘크리트, 엔트란스 패킹의 부식형태를 3가지로 구분하였으며 피복두께 부족, 사용환경, 유지관리 상태에 따라 발생되는 것으로 분석하였다.

5. 기존 콘크리트라이닝과 달리 공장제작, 야적, 운송, 조립의 과정과 TBM의 추진잭압, 그라우트 주입, 볼트체결 등의 특수성을 지니는 TBM터널의 운용 중 합리적인 유지관리를 위해 다음과 같은 유지관리 개선사항을 제시하고자 한다.

- 운용 이전의 결함을 구분하기 위한 공사 중 또는 초기점검의 외관조사망도 관리의 필요성

- 세그먼트라이닝 배면상태를 위한 표준화된 비파괴시험 방법 제시와 절차의 필요성

- 세그먼트라이닝에 적용 가능한 균열, 누수, 단면복원, 내구성능 확보방안의 방향

- 장래적인 TBM터널 유지관리를 위한 세부지침 상태평가 항목 4가지 발굴