1. 서 론

세그먼트 라이닝(segment lining)은 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트(precast) 세그먼트를 조립하여 설치되는 터널 라이닝으로서, 쉴드 터널에서 필수적으로 사용되는 구조체이다. 특히, 쉴드 터널 세그먼트는 쉴드 TBM의 추진을 위한 반력지지 구조물로서의 역할과 공사 중의 안정성 확보는 물론이고 영구적인 터널 라이닝의 역할도 하게 된다.

세그먼트의 역학적･구조적인 중요성 이외에도, 일반적으로 세그먼트의 비용은 쉴드 터널 직접공사 비의 약 25～40% 수준으로서 가장 큰 비중을 차지한다(장수호 등, 2011; 한국터널공학회, 2008; 일본 터널기술협회, 2000). 특히 세그먼트가 쉴드 터널 직접공사비에서 차지하는 비중은 쉴드 터널의 단면이 커지고 시공 연장이 길어질수록 더욱 증가하게 된다.

따라서 쉴드 터널의 건설비용을 줄이기 위한 가장 큰 절감방안 중의 하나로서, 세그먼트의 성능 향상을 통해 세그먼트의 제작비용을 절감하기 위한 기술 개발이 선진국을 중심으로 활발히 이루 어지고 있다. 일본에서는 고강도 또는 초고강도 콘크리트에 의해 세그먼트의 두께를 축소하는 방안이 지속적으로 연구되고 있으며(일본 쉴드 터널신기술연구회, 2001), 이외에도 합성 세그먼트 (composite segment), 연성 세그먼트(ductile segment) 등이 개발되고 있다(Takashi et al., 2004; Zhang and Koizumi, 2010). 유럽에서도 유럽 공동연구프로젝트인 TUNCONSTRUCT 프로젝트를 통해 세그먼트의 제작비용을 절감하면서도 내구성을 향상시키기 위한 고성능 세그먼트들을 개발한 바 있다(Beer, G., 2010). 특히, 최근 들어서는 철근을 생략하거나 최소화하기 위한 기술적 대안으로서 강섬유보강 콘크리트 세그먼트(Steel-Fiber Reinforced Concrete segment)가 개발되어 그 적용 사례가 증가하고 있다(Kasper et al., 2008; Tiberti and Plizzari, 2009).

그러나 아직까지 우리나라에서는 세그먼트 라이닝의 수치해석적 연구와 세그먼트 배열방법에 대한 연구사례들은 일부 보고되고 있으나(김광진 등, 2006; 김정현과 강경진, 2007; 신종호 등, 2009), 세그먼트의 제작비용 절감 및 성능 향상과 관련된 재료적･구조적 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 세그먼트의 제작비용을 절감하기 위한 기술적 방안으로서, 설계강도가 60 MPa인 고강도 콘크리트와 설계 항복강도가 600 MPa인 고장력 철근을 사용하여 철근량을 저감 시킨 고강도 철근보강 세그먼트 시작품을 제작하였다. 또한 실물 재하실험을 통해 고강도 세그먼트 시작품과 기존 세그먼트와의 역학적 거동 특성을 비교하여, 제작된 고강도 세그먼트 시작품의 성능을 검증하고자 하였다.

2. 실험체 제작 및 실험방법

2.1 세그먼트 실험체의 제작

본 연구에서는 그림 1과 같이 서울시지하철 7호선의 OO공구에서 사용되었던 외경 7.22 m, 길이 3,180 mm, 폭 1,500 mm인 세그먼트 라이닝의 A타입 세그먼트를 실물 재하실험을 위한 실험체로 제작하였다.

이때 본 연구의 주 실험대상으로서, 철근량을 저감하기 위하여 설계강도가 60 MPa인 콘크리트와 설계 항복강도가 600 MPa인 철근(SD600)을 사용한 고강도 철근보강 세그먼트의 실물 실험체를 제작하였다. 이와 같이 제작된 고강도 철근보강 세그먼트와의 성능 비교를 위하여, 다음의 표 1과 같이 콘크리트의 설계강도가 42 MPa이고 철근의 설계 항복강도가 400 MPa(SD400)인 현행의 세그먼트(Case 1)와 콘크리트의 설계강도만 60 MPa로 향상시킨 세그먼트(Case 2)에 대해서도 실물 실험체를 제작하고 각각의 성능을 비교하고자 하였다.

설계강도가 60 MPa인 고강도 콘크리트의 제작을 위하여, 김병권 등(2011)이 도출한 설계강도가 60 MPa인 고성능 쉴드 세그먼트용 콘크리트의 최적 배합조건을 동일하게 적용하였다. 이와 같은 콘크리트 배합조건에서 가장 특징적인 사항은 경제적인 고강도 콘크리트의 제작을 위해 고로슬래그의 치환율을 50%로 적용하였다는 점이다.

철근과 관련해서는 표 1과 같이 각각의 제작 조건별로 사용된 철근의 항복강도와 직경(호칭)만 다를 뿐, 그림 2와 같이 본 연구에서 사용된 세 가지 세그먼트 제작조건에 대하여 철근배근 간격은 동일하였다. 그러나 본 연구에서 사용한 고장력 주철근의 직경은 19 mm로서, 현재 일반적인 세그먼트의 주철근으로서 사용되고 있는 항복강도가 400 MPa이고 직경이 22 mm인 철근과 비교할 때 단면적이 25.4%가 감소하기 때문에 이와 같은 주철근의 직경 감소 비율에 비례하여 세그먼트 제작에 사용된 철근량도 감소하게 된다(표 1). 전단철근과 배력근으로는 세 가지 제작조건 모두에 대해 공통적으로 H13 철근을 적용하였다(그림 2).

실물 재하실험에 의한 세그먼트 성능평가 시에 세그먼트 내부에 위치한 철근의 거동을 계측하기 위하여, 그림 3～4와 같이 세그먼트 평면도 상의 1/4부분에 위치한 인장철근과 압축철근에 각각 12개 및 4개의 변형률 게이지를 설치하였다.

이상과 같은 조건으로 제작된 세그먼트의 주요 제작 과정들을 정리하면 그림 5와 같다.

2.2 세그먼트 실물 휨실험 방법

쉴드 TBM에 의한 지반 굴착 시에는 쉴드 TBM의 구조적 특성 때문에 굴착면과 세그먼트 사이에 테일보이드(tail void)가 필연적으로 발생하게 된다. 이러한 테일보이드를 그대로 방치하면 지반 침하가 과도하게 발생하기 때문에, 세그먼트 라이닝과 굴착된 지반을 일체화하기 위하여 굴착 직후에 테일보이드를 신속하게 밀실하게 충전하기 위한 그라우팅을 뒤채움 그라우팅을 실시한다 (한국터널공학회, 2008).

그러나 그라우팅이 잘 이루어지지 못하여 세그먼트 외부에 테일보이드가 그대로 존재하게 되면, 그림 6과 같이 세그먼트에 큰 집중응력이 발생하여 세그먼트의 구조적 안정성을 저해할 수 있다.

따라서 이상과 같은 불리한 시공조건을 모사하기 위한 휨실험은 세그먼트의 성능평가를 위한 가장 대표적이고 일반적인 실험이다(국토해양부, 2009). 세그먼트의 휨실험은 세그먼트 자체에 대한 휨실험과 세그먼트 연결부에 대한 연결부 휨실험으로 구분된다. 본 연구에서는 세그먼트 연결부에 대한 성능 검토가 연구목적이 아니기 때문에, 세그먼트 자체에 대한 휨실험만을 실시하였다.

세그먼트의 실물 휨실험을 위해 사용된 실험장비는 최대 500톤 용량의 재하 시스템으로서, 최대 17개의 유압 엑츄에이터에 대해 변위제어, 하중제어 및 강성제어를 할 수 있는 유압 서보제어기가 포함되어 있다. 재하시스템의 하부는 대형 실험체를 이송할 수 있도록 레일 형태의 대차로 구성되어 있다. 특히, 재하실험 시에는 대차 하부에 장착된 유압 엑츄에이터에 의해 대차가 재하 시스템 하부의 철재 블록에 거치되기 때문에, 대차에 실험체를 탑재한 상태에서 재하 실험이 가능하다(그림 7).

본 연구에서는 세그먼트의 실물 휨실험 시에 실험체 상부의 재하를 위하여 재하 시스템의 중앙 부에 설치된 유압 서보제어 엑츄에이터(최대 재하용량: 200톤, 최대 스트로크: 300 mm)를 사용하 였다. 엑츄에이터 하부에는 지간이 450 mm인 2개의 상부 롤러를 부착하였고 실험체 하부에는 그림 1의 세그먼트 치수에 적합하도록 지간을 3,180 mm로 설정한 롤러 베이스를 설치하여, 세그먼트 실물 실험체에 대해 4점 휨실험을 실시하였다(그림 7 및 그림 8).

모든 실험시에는 서보제어에 의한 변위제어 실험을 실시하였으며, 변위속도는 재하점을 기준 으로 하여 5 mm/min으로 설정하였다. 또한 앞선 2.1절에서 설명한 세그먼트 내부의 철근에 설치된 총 16개의 변형률게이지들로부터 얻어지는 변형률 자료는 0.01초당 1개의 속도로 획득하였다.

3. 세그먼트의 실물 휨실험 결과분석

3.1 균열발생 하중과 파괴하중의 분석

콘크리트의 설계강도가 42 MPa이고 철근의 항복강도가 400 MPa인 일반 세그먼트(Case 1)에 대한 실물 휨실험 결과, 하중이 약 145 kN일 경우부터 균열이 발생되면서 중립축이 상승하였고, 설계 파괴하중인 554 kN의 하중조건에서는 압축측 철근이 인장철근으로 거동하는 것으로 나타났다. 최종적으로 Case 1의 실험체는 설계 파괴하중 이후에 소성에 가까운 거동을 보이긴 하지만, 재하 하중이 635 kN일 때 압축측 콘크리트의 압괴에 의하여 실험체가 파괴되었다(그림 9a 및 그림 10).

콘크리트의 강도 증가에 따른 세그먼트의 거동 특성을 분석하기 위하여, Case 1과 동일한 철근과 철근량 조건에 대하여 콘크리트 설계강도를 60 MPa로 증가시킨 실험체(Case 2)에 대해서도 휨실험을 실시하였다. 그 결과, 하중이 165 kN일 경우에 실험체에 균열이 발생하면서 중립축이 상승하였고, 최종적으로 재하하중이 710 kN일 때 실험체가 파괴되었다(그림 9b). 이와 같이 콘크 리트 설계강도가 기존의 42 MPa에서 60 MPa로 증가되면서, 균열발생 하중과 파괴하중은 각각 약 14% 및 12%가 증가하였다. 이와 같은 하중의 증가를 제외하고는 전반적인 변형 거동은 Case 1의 경우와 유사하였다.

설계강도가 60 MPa인 콘크리트와 항복강도가 600 MPa인 고장력 철근으로 제작된 세그먼트 실험체(Case 3)에 대한 실험 결과, 균열발생 하중은 약 180 kN으로 나타났고 파괴하중은 825 kN으로 관찰되었다(그림 9c).

이상과 같이 세그먼트 제작조건별로 얻어진 주요 하중 결과들을 정리하면 다음의 표 2와 같다. 동일한 철근 제작조건에서 콘크리트의 설계강도 증가에 따른 균열 발생하중과 파괴하중은 각각 13.8% 및 11.8%로 나타났다. 반면, 콘크리트 설계강도가 60 MPa로서 동일하지만 철근을 고장력 철근(SD600)으로 대체하면 균열 발생하중과 파괴하중이 Case 1과 비교할 때 각각 24.1% 및 29.9%가 증가되었음을 확인할 수 있다. Case 3의 결과를 Case 2와 비교하면 고장력 철근에 의한 하중 증가율은 각각 10.3%와 18.1%로서, 콘크리트 설계강도 증가로 인한 효과와 비교할 때 균열 발생 하중의 증가율은 상대적으로 작게 나타났으나 파괴하중의 증가율은 더 크게 나타났다. 즉, 파괴 하중을 기준으로 분석하면 콘크리트의 고강도화보다 고장력 철근의 사용으로 인한 효과가 다소 크게 나타났다. 이상의 결과로부터 현행의 일반적인 세그먼트인 Case 1과 비교할 때 철근량이 약 26% 절감되었음에도 불구하고(표 1 참조), 고강도 콘크리트와 고장력 철근의 사용으로 인해 세그 먼트의 내하력은 오히려 향상되었음을 확인할 수 있었다.

표 1과 같이 사용된 철근량으로 실험체의 파괴하중을 나누어 분석하면 다음의 표 3과 같다. 그 결과, 고강도 콘크리트만 적용했을 경우(Case 2)와 일반 세그먼트(Case 1)를 비교하면, 철근의 단위 사용량에 따라 세그먼트가 지지할 수 있는 하중은 18 MPa의 콘크리트 설계강도 향상에 의해 11.6% 만이 증가하였다. 하지만, 고강도 콘크리트와 고장력 철근을 동시에 적용한 경우에는(Case 3), 철근의 단위 사용량에 따른 세그먼트의 내하력은 일반 세그먼트(Case 1)와 비교할 때 75.6%가 증가한 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 세그먼트의 내하력을 향상시키기 위해서는 콘크리트의 강도보다는 철근의 항복강도가 훨씬 더 효과적임을 확인할 수 있다.

3.2 세그먼트 내부의 철근 작용응력 분석

철근의 종류와 사용량에 따른 세그먼트의 거동특성을 비교･분석하기 위하여, 세그먼트 인장측 철근에 부착한 12개의 변형률게이지로부터 측정된 결과를 정리하면 다음의 표 4와 같다. 이때 파괴 하중의 차이가 가장 큰 Case 1과 Case 3에 대해 철근의 탄성계수를 고려하여 재하 하중단계별로 인장철근에 발생하는 인장응력의 분포를 분석하였다.

분석 결과, 각각의 하중단계별로 재하점 부근의 철근에서 상대적으로 큰 응력이 집중되긴 하였지만, 세그먼트의 폭 방향을 따라서 세그먼트의 중앙부로 인장응력이 전달되는 것을 확인할 수 있었다.

또한 표 4와 같이 재하하중이 300 kN 및 500 kN로서 설계 파괴하중 이하인 경우에는 Case 1과 Case 3 실험체의 인장철근에 발생하는 각각의 최대 인장응력은 유사하게 나타났다.

그러나, Case 1 실험체의 설계 파괴하중인 554 kN을 초과하는 600 kN의 하중이 재하되었을 때, Case 1 실험체에는 하중 재하점 부근에서 약 1,700 MPa의 최대 인장응력이 발생한 반면, Case 3 실험체에는 약 900 MPa의 최대 인장응력이 발생하여 상이한 인장응력 분포 경향을 나타내었다. 이는 고장력 철근과 고강도 콘크리트를 적용함으로 인해 Case 3 세그먼트 실험체의 내하력이 크게 향상되었기 때문인 것으로 판단된다.

반면, Case 3 실험체의 설계 파괴하중인 642 kN을 초과하는 800 kN의 하중이 재하되었을 경우 에는 Case 3 실험체의 하중 재하점 부근에서 약 2,000 MPa의 최대 인장응력이 발생하였다.

이상과 같은 세그먼트 내부의 철근 작용응력의 계측결과에서도 고장력 철근과 고강도 콘크리트로 인한 세그먼트의 내하력 향상효과를 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 고강도 콘크리트와 고장력 철근을 사용하여 철근량을 저감시킨 고강도 철근보강 세그먼트 시작품을 제작하였고 그 역학적 거동을 기존의 일반 세그먼트와 비교하기 위하여 실물 휨실험을 실시하였다. 이상의 연구로부터 도출된 주요 결과들을 정리하면 다음과 같다.

1.세그먼트 라이닝의 외경이 7.22 m인 A타입 세그먼트에 대한 휨실험 결과, 동일한 철근 종류와 철근량을 사용한 경우, 콘크리트의 설계강도가 42 MPa와 60 MPa인 세그먼트의 파괴하중은 각각 635 kN과 710 kN으로서 콘크리트의 고강도화로 인해 파괴하중이 약 12% 증가한 것으로 나타났다. 반면, 설계강도 60 MPa의 고강도 콘크리트와 항복강도가 600 MPa인 고장력 철근을 함께 사용한 세그먼트 실험체의 파괴하중은 825 kN로서 고장력 철근으로 인한 파괴하중의 증가율은 약 16%로 나타났다.

2.설계 파괴하중 이하의 하중 조건에서는 압축측 철근에 압축력이 발생하지만, 설계 파괴하중 이상의 하중이 실험체에 재하되면 압축측 철근이 인장측 철근과 같이 거동하면서 세그먼트 실험체가 파괴에 이르는 경향을 나타내었다. 이는 설계 파괴하중 이상으로 큰 하중이 세그먼트 실험체에 가해질 경우에는 압축측 철근이 인장측 철근으로 거동하면서 추가적인 하중지지 효과를 발현하기 때문인 것으로 판단된다.

3.철근의 단위 사용량에 따른 세그먼트의 내하력을 비교한 결과, 콘크리트 설계강도의 증가로 인한 내하력의 증가는 약 12%에 불과하였지만, 고강도 콘크리트와 고장력 철근을 모두 적용한 세그먼트의 내하력은 일반 세그먼트와 비교할 때 약 76%가 증가한 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 세그먼트의 내하력 향상 측면에서, 콘크리트의 강도보다는 철근의 항복강도를 증대 시키는 것이 상대적으로 더욱 효과적임을 확인하였다.

4.세그먼트 내부의 주철근에 작용하는 인장응력의 분포를 분석한 결과, 설계 파괴하중 이하의 하중이 재하될 경우에는 세그먼트 실험체 제작조건에 따른 차이는 크게 없었다. 반면, 재하하중이 설계 파괴하중 이상일 경우에는 일반 세그먼트에 사용된 항복강도 400 MPa의 철근에 더 큰 인장응력이 발생하였다.

5.이상의 실물 휨실험을 통한 세그먼트의 성능 비교 결과, 항복강도가 600 MPa인 고장력 철근을 사용할 경우 일반 세그먼트와 비교하여 철근량이 약 26% 감소하였음에도 불구하고 고강도 콘크리트와 고장력 철근으로 인해 세그먼트의 내하력이 크게 향상되었음을 검증할 수 있었다.