1. 서 론
2. 터널 정밀안전전단
2.1 대상터널의 현황
2.2 온도 측정방법
2.3 결함 진행 분석
3. 터널 내 온도분포 특성
3.1 전반적인 온도분포
3.2 구조별 온도분포
3.3 위치별 온도분포
3.4 온도변화에 따른 결로
3.5 온도분포에 따른 결함변동의 상관관계
4. 결 론
1. 서 론
지구온난화로 인한 기후변화는 설계를 초과하는 강우 및 온도변화 환경을 야기하며 공용년수가 증가하는 시설물에 유지관리 환경의 어려움을 점차 증가시키고 있다(Jung et al., 2017; The World Bank, 2024). 교량, 댐, 옹벽, 건축물 등과 같은 지상구조물과 비교하여 터널, 상수도, 공동구와 같은 지하구조물은 상대적으로 온도변화 환경이 적을 것으로 생각할 수 있다. 하지만, 터널이 시공된 지역이 산간 또는 동해에 취약한 온도 환경에서는 동결융해로 인한 콘크리트라이닝 열화(Liu et al., 2023), 콘크리트라이닝 균열, 누수, 결빙(Yuan et al., 2023) 등의 결함들이 보고하고 있다. Li et al. (2022)은 터널 내 온도, 배면 암반 온도, 지하수 양과 부식 가능성, 암반의 공학적 성질, 터널 연장과 내부 풍속 등을 고려하여 동해 환경 평가 가중치를 연구하기도 하였다.
Hong et al. (2005)은 국내 산악지역 도로터널에서 입 ‧ 출구로부터 150 m까지 외기 영향을 받으며 출구부와 비교하여 입구부의 영향 범위가 3배 정도까지 확대됨을 확인하였다. Kim et al. (2011)은 입구에서 30 m 위치한 콘크리트라이닝 표면에서 깊이 0.2 m까지 최저 온도(-2~-8°C)에 이르는 콘크리트라이닝 열 전달 소요시간은 8시간 정도가 필요함을 계측하였다. Lee et al. (2023)은 터널 입 ‧ 출구부의 온도가 최소 -10.2°C보다 낮은 경우 방수지 배면에 얼음이 형성되며 연장 4.5 km터널은 최소 -4.9°C 이하에서 동결이 발생되며 연장이 길어질수록 동결되기 위한 온도는 더 낮아진다고 분석하였다.
Andrén and Dahlström (2011)은 터널 내 누수 보수는 가급적이면 늦게 할 것을 제안하고 있는데 이는 가을철 누수가 겨울철 동결로 이어지지 않기 때문이라 설명하고 있다. 누수 동결 예방을 위한 단열재의 사용은 암반온도(지열)가 콘크리트라이닝 온도를 일부 상승하게 하는 것도 차단하여 실제적인 동결 범위가 터널 입구로부터 더 안쪽까지 영향을 주는 사례도 보고하고 있다. 이러한 이유로 정밀안전진단에서도 누수보수 시기는 겨울철을 보내며 동결을 확인한 위치에서 실시하는 것이 그 효과가 높다(Choo et al., 2014; Andrén et al., 2020).
Paulatto et al. (2024)은 코펜하겐 28개 지하철역사 및 연직갱 공사에서 시간당 20~30톤의 유입수가 발생한다고 하였다. 도심지 철도터널 내 유입수량은 U-type의 시 ‧ 종점 접속부 및 환기구를 통한 강우 유입, 환기구-본선 접속부 차수 기능 상실 등으로 지하수위가 터널 내 유입되어 배수량에 변동을 보인다(KALIS, 2021; 2024; NBC New York, 2024).
이와 같은 동결과 배수 관련한 유지관리의 문제점들은 정밀안전진단에서 검토되는 항목으로 터널 내 온도에 따른 터널에서의 결함의 변동을 파악하고자 하였다. 본 연구는 도심지 철도터널의 정기적인 정밀안전진단의 결함 변동을 분석하고 상기에서 언급된 지하구조물의 온도 변화를 분석하여 어떠한 결함(균열, 누수, 박락 등)이 상관성을 지니는지 검토하였다. 구조물의 위치, 높이 변화에 따라 일일 및 월간의 온도분포를 분석하였으며 15년 간의 결함별 물량 변화에 어떠한 연관성이 있는지도 분석하였다. 지하구조물에서 장래 열화환경으로 온도분포를 고려하는 초기 연구에 도움이 되고자 한다.
2. 터널 정밀안전전단
2.1 대상터널의 현황
대상터널은 2003년 준공 이후 3차례 정밀안전진단이 수행되었고 6.7 km의 연장에 6개 정거장과 16개의 환기구가 있다. 일부 단선 및 확폭 구간이 포함되어 있으나 대부분은 철도 복선터널 형상이다. 정거장을 기준으로 Fig. 1과 같이 I~VII의 7개 구간으로 구분하였으며 구간별 정밀안전진단의 결함 물량 변동을 분석하였다. 환기구 No.21~No.24는 연직갱 형태(Fig. 2(b))이며 나머지 환기구는 건축 구조물 형태로 지상부와 연결되어 있다. 복선터널과 접속된 환기 배출구 위치가 천단인 경우는 No.15~No.19, No.25, No.28이며 그 외 환기구는 본선 벽체에 횡갱 형태의 연결터널이다. 환기구 No.19, No.20, No.28에서는 집수정 시설과 함께 운용하고 있다.
2.2 온도 측정방법
현장에서 타설 된 콘크리트 적산온도를 이용한 압축강도를 예측하는 방법은 한국 국가건설센터(KCS)와 미국 재료시험협회(ASTM)에서 인정하고 있다(HILTI, 2024). 설치 및 연속된 측정 자료의 축척과 관리의 용이성을 고려하여 Hilti사의 HCS T1 센서를 이용하여 도심지 철도터널의 정밀안전진단에 적용하였다. 터널 본선에 Fig. 1과 같이 일정한 거리에 설치하였고 환기구, 지하역사 시 ‧ 종점의 온도 변화도 측정할 수 있도록 Fig. 2와 같은 위치를 선정하였다. 설치 시기는 상이하나 온도 자료는 5월말에서 11월말까지의 6개월의 온도를 15분 단위로 측정하였으며 ±0.1°C의 민감도를 지닌다. 개별 센서는 측정 기간 동안 약 12,700~16,715번의 온도가 측정되었으며 총 55개의 온도계로 실시간 모니터링한 결과이다.
2.3 결함 진행 분석
준공 후 10년차인 2014년에 최초 정밀안전진단을 실시하였고 등급을 고려하여 5년 간격으로 2차는 2019년, 3차는 2024년에 정밀안전진단을 하였다. 2019년의 조사에서는 2014년 조사 내용과 비교하여 균열(망상균열 포함), 박락이 증가하였으나 누수 및 백태, 철근노출은 보수로 감소한 것으로 확인되었다. 2019년 이후에 균열, 박락은 집중 관리되어 감소하였으나 2019년 이전에 보수된 누수 부위에 재누수 및 백태가 부분적으로 확인된 사항 등을 Fig. 3에 도시하였다. 2019년 진단 이후에 실시된 유지관리는 Fig. 1에서 구분한 I~III구간에 집중되어 실시된 것으로 확인되었으며 2019년 이전 시행된 보수는 전 구간에서 결함별 평가기준이 낮은 개소에서 실시되었다.
차수별 결함 분포는 이전 차수 이후 보수 항목을 판단할 수 있는 지표로 Fig. 4와 같이 최초 정밀안전진단 이후 균열은 보수하지 않았으나 2019년 이후 시행한 것으로 확인된다. 터널 세부지침 NATM (무근) 콘크리트라이닝 평가에서 균열은 48.1%를 차지하고 있어 차수별 80% 이상의 균열은 주요한 관리항목이라 하겠다. I~III구간에서 균열, 누수 및 백태가 보수되었으나 결함별 평가기준 c등급 이하를 우선하여 보수를 실시하였다. 균열 폭 0.3 mm 미만이거나, 백태는 범위가 크지 않거나, 스며있는 정도의 누수로 관리주체가 우선순위에 따른 유지관리하고 있음이 확인된다. 다만, 결함물량의 변동은 조사 시점에 따른 변동성을 내재하고 있음을 분석에 유의하여야 한다.
3. 터널 내 온도분포 특성
3.1 전반적인 온도분포
7개 구간에 설치된 온도계의 설치 위치에 따라 본선, 환기구, 정거장 3개 그룹으로 구분하여 Fig. 5와 같이 그룹별 24시간 동안의 온도 변화와 측정 기간 동안의 변동을 분석하였다. 스크린도어가 설치된 6개 정거장의 온도가 가장 높은 온도를 보였으며 본선, 환기구 순으로 확인되었다. 환기구 주변은 7월 18일에서 9월 20일에 외기의 따듯한 공기가 환기구 내부로 유입되면서 환기구 내부 온도가 본선 평균온도보다 증가한다. 반면에, 9월 20일 이후부터는 낮아진 대기 온도로 환기구 내부로 유입되며 본선보다 낮은 온도분포를 보이게 된다. 구간별 결함의 변동성을 고려할 때 이러한 구조물 특징(본선, 환기구, 정거장)에 따른 온도변화를 고려할 수 있을 것으로 판단하였다.
3.2 구조별 온도분포
위치별 온도계의 최대값과 최소값의 차이는 9~27°C를 보이며 가장 작은 차이를 기준으로 Fig. 6과 같이 정규화하여 도시하였다. 환기구 온도차이가 가장 크고 7개 구분 영역의 특징에 따라 본선과 정거장의 온도 차이가 달라짐을 확인할 수 있다. 이러한 구간별 온도 변동 특성이 15년 간의 열화환경으로 작용하여 결함 물량 변동에 영향을 줄 수 있을 것으로 분석되었다.
3.3 위치별 온도분포
복선터널에 박스 형태의 구조물인 환기구가 폭 10 m 크기로 설치된 No.25번 환기구 구조물 최상부 배출구로 외기가 유입되는 형태로 LW, RW의 온도변화는 ±0.2°C의 미세한 편차를 보인다(Fig. 7). 미세한 차이는 열차 운행에 따른 복선터널의 공기 흐름 차이, 센서의 민감도 차이, 좌 ‧ 우 센서의 측정시간의 차이 등이 원인으로 추정된다. 5시경의 미세한 변동 원인으로는 열차운행이 발생시킨 외기흐름으로 인한 것으로 추정된다.
연직갱 형식의 환기구 No.21~No.24의 높이 12~36 m로 시공되었다. Fig. 8의 범례 H0은 연직갱과 연결터널로 본선과 접속된 위치이며 H18, H27, H36은 본선 연결터널로부터 18 m, 27 m, 36 m 높이에서 측정된 온도를 의미한다. 환기구 높이가 높을수록 본선과 지표와의 온도차이는 커지며 외기온도가 낮아지는 9월 이후에 그 변화폭이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 가장 큰 높이차를 보이는 환기구 21에서 이러한 영향이 상대적으로 크게 나타난다.
3.4 온도변화에 따른 결로
Kim (2022)은 장대 도로터널의 결로 원인을 터널 내부 온도와 상대습도로 분석하고 있다. 결로란 ‘수증기를 포함하고 있는 공기가 그 공기의 이슬점 온도와 같거나 낮은 온도의 표면과 접촉하여 수증기가 응축하여 물방울이 맺히는 현상’을 일컫는다. 즉, 지하구조물 표면이 상대적으로 낮은 온도를 나타내는 위치에서 더 쉽게 물방울이 맺힐 수 있는 것을 나타낸다. 콘크리트라이닝 표면온도는 배면의 상태, 시공품질 상태, 주변 배수상태, 인접 배수로 상태 등 다양한 환경요인은 배제하고 터널 내 온도 변동만을 고려하고자 구간별 지상 영향을 받는 환기구와 본선의 월간 평균 온도분포를 Fig. 9와 같이 분석되었다. 정거장은 공조시스템의 운용으로 외기온도 이외의 변수가 있을 것으로 배제하였다. 정밀안전진단 조사 기간 중에 결로가 확인된 시기는 7~9월이며 VII구간에서만 조사되었다. 해당 기간에 I~VI구간의 환기구-본선의 온도변화가 크지 않은 반면에 VII구간에서는 따듯한 지상부와 비교하여 약 2°C가 낮은 온도분포를 보인 환경에서 결로가 집중되어 조사되었다. 해당구간은 장대구간으로 환기구가 4개소가 있음에도 타 구간과 비교하여 온도변화가 적은 상태에서 외기와 온도차이까지 반영됨에 따라 쉽게 물방울이 맺혀 결로가 확인되었을 것으로 판단된다.
3.5 온도분포에 따른 결함변동의 상관관계
7개 구간별 온도분포를 분석하여 최대온도와 최저온도의 차이를 산정하여 구간의 온도지수를 구하였고 해당 구간 결함별 물량의 변화를 Fig. 10과 같이 도시하였다. 콘크리트라이닝 상태평가 항목인 누수, 백태, 망상균열, 박리 등은 온도변화가 큰 환경에서 년차별 결함의 발생빈도가 상관성이 있는 것으로 분석된다. 구간별 균열 발생 개소의 증감은 I, II, III구간의 경우, 2019년 이후 보수로 급격한 감소를 Fig. 11(a)에서 확인할 수 있다. 구간 연장이 긴 경우 발생 개소가 증가하는 영향을 배제하기 위해 터널 연장을 고려한 균열 발생 개수는 Fig. 11(b)와 같다. 보수를 하지 않은 IV~VII구간의 경향은 2019년 2차 조사에서 2014년보다 물량 증가를 보였으나 2024년에서는 그 변화가 크지 않음을 인지할 수 있다. 2014~2019년의 균열 변동 평균은 0.64, 2019~2024년의 변동은 0.11이다. 보수가 시행된 I, II, III구간에 보수가 되지 않은 2019년 시점에서 0.11의 변동폭을 가정한 것은 Fig. 11(b)와 같다. 터널연장에 대한 영향을 고려하였음에도 터널 내 온도폭의 변화가 큰 구간에 균열 진행이 낮은 것으로 Fig. 10(a)와 유사한 경향으로 분석된다. Choo et al. (2014)은 폭 0.4 mm 균열이 20°C 온도 변화로 ±0.25 mm의 확대 및 축소를 보이는 유사한 사례를 박스 지하구조물에서 분석한 사례가 있다. 이상의 분석으로 시공이음으로 구분되는 복선터널에서 온도변화는 콘크리트라이닝의 팽창과 수축에 따라 발생된 균열 폭을 넓히거나 좁힐 수 있을 것이다. 하지만, 유지관리 상태에서는 이미 발생된 균열 및 신 ‧ 수축 이음 등으로 본 연구에서 분석한 터널 내부 온도변동은 신규 균열을 야기하기에는 충분하지 못한 상태이기 때문으로 판단된다.
균열 이외에 터널 내 온도변화 환경이 결함 변동을 야기할 수 있는 경향은 Fig. 10과 같다. 시공이음부 모따기면을 만들기 위해 시공이음부에 삼각면목이나 프로파일을 매입 후 양생 이후에 제거하는 과정을 거치게 된다. 이때, 콘크리트라이닝 구체 마감면에 국부적인 박락(Fig. 10(e))이 발생된 것으로 온도변화로 인한 영향은 낮은 것으로 판단된다.
터널방향 10 m 시공이음으로 시공된 복선터널에서 30°C의 온도변화는 1.0~1.3 × 10-5 m/°C의 콘크리트 열팽창을 감안하면 약 3~3.9 mm을 신 ‧ 수축됨을 의미한다. 균열 폭이 흡수하는 거동도 있겠지만 동절기 지하구조물의 경계(정거장-본선, 본선-환기구 등)에서는 터널 내부로 지하수가 유입되거나 균열 폭이 넓어져 백태 및 누수가 증가하는 것으로 분석된다(Fig. 10(c) and (d)). 지하구조물의 누수 및 백태의 변화는 배면 지하수위의 변동이 중요 영향인자로 상세 평가를 위해서는 인접공사로 인한 지하수위 변동을 감안해야 하나 본 연구에서는 이러한 영향은 검토하지 못하여 장래의 분석에 이를 고려할 필요성을 제안하고자 한다.
온도차이는 콘크리트의 표면열화 요인이 될 수 있어 박리 및 망상균열의 진행과 상관관계가 있음이 보여진다(Fig. 10(b) and (f)). 다만, 분석된 7개 구간은 4개의 다른 시공사에 의한 품질관리로 결함 밀도에 전반적으로 영향을 내재하고 있음도 근원적인 차이를 유발할 수 있음을 주지해야 한다.
4. 결 론
도심지 철도터널의 내 본선, 환기구, 정거장의 온도변화를 6개월간 연속측정하여 3회에 걸친 정밀안전진단 결과의 결함물량 변동과 상관관계를 파악하고자 하였다. 연직갱이 있는 경우의 온도변화, 구조물별 온도변화, 결로 및 상태평가 결함물량 변동 등을 고려하여 구조물 영향 및 장래 열화가속 요인 여부를 다음과 같이 분석하였다.
1. 외기 온도변화에 따라 7월 18일에서 9월 20일 사이에는 상승된 지상온도로 환기구에서의 온도가 본선보다 높아지나 지상 온도가 낮아지면 환기구 온도가 터널구간보다 낮아짐을 확인할 수 있었다.
2. 연직갱 형식의 환기구가 높은 경우 지표와 지상부의 온도차이를 보이고 있으며 외기 온도가 낮아지는 9월 이후에 차이는 더욱 커지는 것으로 분석된다.
3. 7개 구간에서 가장 낮은 온도변화를 보인 VII구간에서 하절기 환기구와 본선의 온도차이가 있어 타 구간과 비교하여 쉽게 물방울이 맺힌 결로가 집중적으로 확인된 것으로 분석된다.
4. 운용기간에 따른 결함의 증가는 콘크리트의 열팽창으로 인한 이음과 균열부에서 누수 및 백태가 증가되는 것으로 분석되는 반면, 균열 폭 변화는 파악될 수 있으나 운용 중 신규 균열을 발생시킬 수 있는 범위의 온도하중 환경은 아닌 것으로 판단된다.
5. 온도변화 이외의 콘크리트라이닝 시공품질에 따른 영향, 인접공사로 인한 지하수위 변동 등에 의한 결함 진행 환경 등으로 결함 변동이 발생될 수 있어 온도변화 양상만으로 도심지 터널 결함변동을 검토하는 것은 분석 오류를 범할 수 있음에 유의해야 한다.
