Technical Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. September 2021. 281-302
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2021.23.5.281

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 현장 개요

  •   2.1 노선 개요

  •   2.2 지형 및 지질 특성

  •   2.3 TBM 개요

  •   2.4 그라우팅 개요

  • 3. 그라우팅 범위 산정

  •   3.1 한강하상 그라우팅

  •   3.2 육상부 지상그라우팅

  • 4. 그라우팅 적용공법 및 현황

  •   4.1 한강 하상 그라우팅

  •   4.2 육상부 지상 그라우팅

  • 5. 그라우팅 수행결과

  •   5.1 한강하상 그라우팅

  •   5.2 육상부 지상그라우팅

  • 6. 고찰 및 제언(Lessons Learned)

  • 7. 결 론

1. 서 론

최근 들어 그린벨트 조정, 대규모 주택단지 등의 개발에 따른 통행수요 증가에 대비하여 철도망 구축이 확대되고 있다. 도심지나 한강을 통과하기 위해 터널을 굴착하는 상황이 많은 추세이다. 특히, 도심지나 한강하저를 통과하는 경우 불량한 지반 및 지하수조건 하에서 굴착을 하는 경우가 대부분이므로 안정적인 굴착을 위해 TBM (Tunnel Boring Machine) 공법을 적용한 터널 굴착 공법을 많이 적용하고 있다. 본 논문은 이러한 TBM 터널 시공의 일례로서 OO현장의 시공사례를 다루고자 한다. 특히, TBM 굴진 시 안정적인 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI) 목적으로 지상 및 하상(한강)에서 수행한 그라우팅 수행결과, 고찰 및 제언(Lessons Learned)에 대하여 기술하고자 한다.

TBM 터널 공사에서 지반보강 및 차수 보강공법으로 그라우팅이 일반적으로 적용되고 있다. 도심지나 하저 또는 해저 터널은 매립층, 흙-자갈층, 전석층과 같이 지반보강과 개량이 필수적인 연약지반 혹은 특수지반을 조우하는 경우가 많으며, 불리한 지질조건으로 인한 시공상의 문제점이 국내외 TBM 시공현장에서 꾸준히 보고되어 오고 있다(Jeong et al., 2018; Yoon et al., 2018). 그라우팅은 안정적인 TBM 굴진을 도모하기 위한 목적 및 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI) 시 막장안정성 확보하는 목적이 있으며, 작업위치에 따라 지상(수직)그라우팅과 TBM 장비 내에서 수행하는 갱내그라우팅으로 나눌 수 있다.

본 과업구간은 한강하저구간을 통과하여 육상부에 이르는 구간으로 하상(한강) 및 육상에서 커터교체를 위한 위치를 미리 결정하여 지상/하상(수직)그라우팅을 수행하였다. 한강 하저구간은 저압그라우팅을 적용하였고, 육상구간은 고압분사그라우팅을 적용하였다. 그라우팅이 완료된 영역에서 TBM 장비가 도달하여 CHI를 수행하였으며 성공적으로 수행이 된 경우도 있고 막장 불안정으로 수행하지 못한 경우가 발생하였다. 이러한 성공/실패 사례 현황 및 교훈에 대해 기술하고자 한다.

2. 현장 개요

2.1 노선 개요

OO현장은 강서구 개화동에서 경기도 고양시에 이르는 총 연장 3,049.87 m의 공사현장으로 NATM 290.33 m, Shield TBM 2,702.38 m, 피난연결통로 5개소 및 환기구 2개소로 이루어져 있다. Shield TBM은 한강이남의 환기구#2에서 발진을 하여 한강이북의 환기구#1에 도달하는 계획으로 공사를 수행 중에 있으며 단선병렬 터널로서 EPB Type 장비 2대로 굴진 중에 있다. 터널의 노선도는 Fig. 1과 같다.

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Fig. 1.

Tunnel layout

2.2 지형 및 지질 특성

대곡-소사 복선전철 제2공구 지형특성은 사업노선을 따라 신생대의 충적층이 발달하여 있고, 과업노선 인근으로 형성된 산계는 대부분 높지 않은 구릉성 산지의 형태를 보이고 있다. 한강구간을 중심으로 점성토, 모래, 자갈 등의 퇴적층 발달이 많은 것으로 나타난다. 지역적 특징은 한강을 기준으로 이북쪽은 저지대의 농경지가 발달되어 있고, 이남쪽 역시 저지대의 형태로 김포공항 및 도시개발의 진행이 많이 이루어진 부천시의 도심이 형성되어 있다(Fig. 2).

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Fig. 2.

Mountains and streams system

지질특성은 서울지역은 선캠브리아기의 경기 편마암 복합체를 기반암으로 중생대 쥬라기에 암상형(Stock)으로 관입한 화강암이 주를 이루고 있으며 경기편마암 복합체는 호상 편마암, 화강암질 편마암, 세립질 편마암, 운모 편암, 대리암으로 구성되어 있다. 과업노선을 기준으로 한강의 이북쪽에서는 흑운모호상편마암의 분포가 우세하게 나타나며, 한강 이남쪽에서는 흑운모 화강암의 분포가 뚜렷하게 나타나고 있다(Fig. 3).

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Fig. 3.

Geological characteristics on site

터널이 통과하는 지반종단은 Fig. 4에 도시하였다. ⓐ구간은 경작지 및 자유로 하부 구간으로써 상부 점성토(CL, ML)와 하부 모래(SM, SP)로 구성된 퇴적층과 풍화토, 풍화암의 지층분포를 나타내고 있다. 쉴드 TBM 굴착구간에는 자갈질모래, 실트질모래, 풍화토가 순차적으로 분포하고 있다. ⓑ구간은 행주산성 하부 통과구간으로 대부분 흑운모호상편마암인 경암을 통과하게 되며, 행주산성과 자유로 사이 경계부는 암반-토사 경계부로 풍화토, 풍화암, 연암이 순차적으로 분포하고 있다. ⓒ구간은 한강하저구간으로 시점측은 퇴적층이 얇고 기반암이 일찍 출현하나 사업종점측으로 갈수록 퇴적층과 풍화대가 두껍게 나타나고 있다. 굴착구간에는 흑운모편마암과 화강암인 기반암, 풍화암, 실트질모래인 풍화토가 교호하여 나타나고 있다. 앞서 언급한 복합적인 지형 및 지질 특성은 커터교체를 위한 그라우팅 공법 선정에 영향을 주었으며, 그라우팅 작업 시에도 여러 시행착오를 겪게 되었다. ⓐ구간의 경우 자갈층에 대한 그라우팅은 주입재 유실, 조밀한 풍화토에서의 그라우팅 구근 형성문제 등 어려움이 있었고, ⓑ구간은 경암구간으로 커터교체를 위한 그라우팅은 없었다. ⓒ구간은 한강하저 구간 풍화대 구간으로 이러한 지형 및 지질조건은 그라우팅 주입재 선정 및 주입효과(주입율) 개선에 영향을 주었다. 그라우팅 개요, 수행결과, 고찰 및 제언(Lessons Learned) 등은 다음 절부터 상세히 언급하도록 하며, 복합적인 지질 특성에 대한 그라우팅 수행사례는 향후 유사 프로젝트에서 설계, 시공 및 품질관리에 참고자료가 될 것으로 기대한다.

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Fig. 4.

Tunnel geotechnical profile

2.3 TBM 개요

쉴드 TBM 공법은 막장 지지방식과 토사 배출방식에 따라 크게 토압식(Earth Pressre Balanced, EPB)과 이수가압식(Slurry)으로 나눠지며 당 현장은 지상 작업 부지의 제약사항, 최대 수압 및 지층 조건을 종합적으로 고려하여 토압식 쉴드 TBM 장비를 적용하였다.

토압식 쉴드 TBM 공법은 커터헤드 후면의 챔버(Chamber)를 굴착 토사 또는 버력으로 채워서 굴진면을 지지하며 굴진하는 방식이다. 쉴드에 추진력을 가하면서 커터헤드를 회전시키면 전방의 토사가 챔버안으로 흘러 들어가고, 스크류 컨베이어를 통해 토사의 배출을 조절함으로써 굴진면을 지지하는데 필요한 압력을 유지한다. 배출된 토사는 컨베이어 벨트를 통해 장비 후방으로 이동되고 이를 후방대차(Muck car)에 실어 지상으로 배출하게 된다. 당 현장은 Herrenknecht 社의 TBM 장비를 채택하여 2기를 투입하였으며 장비의 상세 제원은 Table 1과 같다. 토사지반과 암반지반이 혼재되어 있는 굴착 노선을 고려하여 커터헤드(Cutter Head)에 디스크 커터(Disc Cutter)와 커터 비트(Cutter Bit)가 적정 간격으로 배치되어 있다(Fig. 5).

Table 1.

Specification of TBM

Item Specification
TBM type EPB
Cutting diameter 8.1 m
Opening ratio 31%
Cutter Disc cutter 50 EA
Scarper 106 EA
Bucket 56 EA
Torque 7,510 kNm / 12,843 kNm
RPM 0~3.7
Thrust force 66,523 kN (350 bar)
Power 2,080 kW (13 × 160 kW)

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Fig. 5.

General layout of TBM and cutting wheel 3D drawing

2.4 그라우팅 개요

TBM 굴진 시 커터는 핵심 요소이며 지반조건에 따라 마모가 발생하므로 주기적으로 교체를 하여야 한다. 국내의 경우 압기 공법 적용이 일반화 되어 있지 않아, 대기압 상태에서 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI)를 수행하므로 EPB 타입의 커터교체를 위해서는 TBM 커터 헤드 내 챔버를 모두 비우고(Step down) 챔버압을 0 bar로 맞추어야 작업자가 진입하여 커터 교체를 할 수 있다. 즉, 막장전방의 토압을 지지해주는 챔버압이 사라지는 것이므로 CHI를 수행하기 위해서는 막장의 자립은 필수적이다. 따라서 CHI를 수행하기 위한 위치에 그라우팅을 수행하는 것으로 계획하였다.

당초 실시설계 시 작업부지 등 현장여건이 제한적으로 판단하여 CHI를 위한 막장보강은 갱내그라우팅으로 하는 것으로 계획하였다. 다만, 실제 수행결과 갱내그라우팅은 약 2주가 소요되는데다가 TBM 장비 내에서 수행하여야 하므로 천공간격 및 공수가 제한적이므로 그라우팅 효과가 미미하였다. 갱내그라우팅은 주입 시 그라우팅간 중첩율이 낮아 효과적인 우산망보강 영역(Umbrella Arch)를 형성하기 어렵고(Fig. 6), 장비 내에서 챔버 전면(막장면)으로 주입하므로 시멘트 계열 재료를 사용하게 되면 장비 폐색(Jamming)이 우려된다. 즉, 갱내그라우팅은 차수효과 및 지반 보강 효과가 매우 약하다고 판단된다. 따라서 CHI를 위한 그라우팅은 육상 및 하상에서 수직 그라우팅 하는 것으로 전면 변경하여 공기단축 및 보강 효과 향상을 도모하였다.

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Fig. 6.

Grouting layout inside of TBM

육상은 지반보강효과 및 차수효과를 모두 기대할 수 있는 고압분사 그라우팅을 적용하였다. 반면, 하상은 고압분사 그라우팅을 적용할 수 없어 저압그라우팅(약액)을 적용하였다. 고압분사그라우팅을 적용할 수 없었던 이유는 한강에서 슬러지 처리문제, 환경문제로 용탈이 적은 수중불분리 재료 적용이 필요하고 적용 대상이 풍화토/풍화암/연암층으로 지반의 절삭이 고수압조건에서 어렵다고 판단했기 때문이다.

3. 그라우팅 범위 산정

3.1 한강하상 그라우팅

한강하저 통과 지층은 풍화토/풍화암의 풍화대 지층이다. 그라우팅은 2.4절에 언급한대로 저압그라우팅을 적용하였다. 그라우팅 범위는 막장 전면 토체의 전단파괴응력 검토를 수행하여 산정하였다. 커터 교체 시 막장 전방의 응력상태는 주동상태로 가정하여 전단파괴면이 형성되고(Fig. 7), 파괴면 상부 토체 하중에 따른 파괴면의 전단저항응력을 비교함으로써 막장전방 및 상부 보강범위를 결정하였다. 이 때, 보강되는 지층(풍화토, 풍화암)은 그라우트재의 할렬침투로 점착력이 일부 증가한다고 가정하여 Table 2와 같이 점착력을 최대 50 kPa로 적용하였다.

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Fig. 7.

Tunnel face stability (failure mechanism)

Table 2.

Geotechnical design properties

Geotechnical layers γ (kN/m3) γ' (kN/m3) c' (kN/m2) ' (deg.)
Soil (SM, SP) 20 10 0 30
Weathered soil 20 10 25 30
Weathered soil (grouted) 20 10 50 30
Weathered rock (grouted) 21 10 50 32
Weathered rock 21 11 32 32

추가적으로, 침투해석을 수행하여 커터헤드(0.8 m길이)로 침투되는 유출수량을 검토하여 커터헤드 후방 보강범위를 산정하였다. 수치해석은 마이다스아이티 사의 GTS NX (2D&3D FEM)를 사용하였다. 수리특성은 실시설계 지반조사 보고서를 참고하여 Table 3과 같이 적용하였으며, 해석결과(Fig. 8)로 산출된 유출수량을 토대로 장비 내에서 펌핑이 가능한 정도의 커터헤드 후방 보강 범위를 산정하였다. 최종적으로 결정된 최소 주입범위는 Fig. 9와 같다.

Table 3.

Hydraulic properties

Geotechnical layers K (m/sec) Remark
Soil (SM, SP) 1.15 × 10-5 -
Weathered soil 4.44 × 10-6
Weathered rock 3.93 × 10-6
Soft rock 5.00 × 10-7
Hard rock 1.00 × 10-7
Weathered soil (grouted) 1.00 × 10-7 Assumed
Weathered rock (grouted) 1.00 × 10-7

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Fig. 8.

3D FEM steady state analysis

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Fig. 9.

Minimum grouting area for permeation grouting

3.2 육상부 지상그라우팅

한강 하저구간을 통과하면 자유로, 제2자유로, 민가 및 경작지가 나타나는 육상구간을 굴진하게 된다. 통과지층은 풍화토, 모래자갈(퇴적층)이 주를 이루며, 한강 하저구간 보다는 현장여건이 양호하므로 CHI를 수행할 위치에 지상에서 고압분사 그라우팅을 수행하는 것으로 계획하였다. 적용범위 산정은 하상 그라우팅 방법과 유사하며, 침투해석은 별도로 수행하지 않았다. 다만, 고압분사 그라우팅의 경우 개량체 압축강도를 파악할 수 있으므로 소요 압축강도를 선정하기 위하여 막장압 산정식(Anagnostou and Kovari, 1994; Zizka and Thewes, 2016)을 이용한 종방향 보강길이를 추가로 검토하였다.

TBM 막장압 등 하중 작용 및 파괴메커니즘은 Fig. 10과 같다. 이 때, 막장전면을 지지하기 위한 최대 막장압 및 파괴쐐기의 각도(Fig. 11)를 계산할 수 있는데 CHI를 수행할 경우 막장압이 0이므로 토압 대응 막장압이 0 이하(-)가 되는 터널 심도 지반의 소요 물성을 추정할 수 있다. 즉, 무지보 조건이 성립되는 종방향 보강길이를 찾고, 개량체의 필요 물성을 산정할 수 있다(Fig. 12). 최종 산정된 고압분사 그라우팅 범위는 Fig. 13에 나타내었다.

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Fig. 10.

Failure mechanism - Forces acting on the wedge (Anagnostou and Kovari, 1994; Zizka and Thewes, 2016)

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Fig. 11.

Example of the determination of the highest required support force by variation of the sliding angle (Anagnostou and Kovari, 1994; Zizka and Thewes, 2016)

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Fig. 12.

Example of grouting length determination ahead of TBM when earth pressure is 0

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Fig. 13.

Minimum grouting area for jet grouting

4. 그라우팅 적용공법 및 현황

본 절에서는 TBM 커터교체 시 막장안정성을 확보하기 위한 그라우팅 적용공법 및 현황에 대해 기술하였다.

4.1 한강 하상 그라우팅

하상 그라우팅의 경우, 지하수 및 유속에 의한 재료의 수중분리 및 용탈 현상 등으로 인해 시공성 및 내구성에 불리하며 일반 시멘트 사용 시 한강의 환경오염을 유발할 수 있으므로 친환경-수중불분리 그라우팅을 적용하였다. 고압분사 그라우팅 적용 시 주입공에서 슬러지 유출로 한강이 오염될 가능성이 있으므로 저압 그라우팅을 적용하였다. 굴진 중 예측된 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI) 위치에서 굴착 단면에 풍화토가 존재하거나, 풍화암의 토피가 상대적으로 낮아 막장 자립성이 취약한 구간을 선정하여 지반 보강을 계획 하였다. 갱내그라우팅은 TBM 굴진을 멈추고 장비 내부에서 수행하여야 하므로 그라우팅 완료시까지 굴진을 할 수 없어 시공 지연이 발생한다. 따라서 TBM이 보강영역에 도달하기 전에 선제적으로 수행할 수 있는 지상(하상) 그라우팅을 실시 하였다.

당 현장 CHI 경험을 비추어볼 때, 풍화토 또는 풍화암 지반에서 챔버 오픈 시 초기에는 건전해 보이던 막장에서도 커터 점검 및 교체를 위해 커터헤드 인칭(회전)을 하면 상부 지반이 이완되어 막장이 불안정해진다. 이에 따라 굴진 재개 시 추가적인 상부지반 이완을 방지하기 위해 챔버압을 기준토압보다 높여 굴진하게 되어 TBM 장비에 부하가 발생하고 커터헤드 폐색이 발생하기도 한다.

커터 점검 및 교체 중 막장 안정성 확보를 위해 지반보강 범위는 풍화암 -2 m까지 보강 하였으며 본선 그라우팅 수행 전 시험시공(투수시험, 표준관입시험, 색소 판별법)을 통해 공간격을 1.2 m로 결정하였다. 상선 CHI 수행 위치는 Fig. 14에 도시한 바와 같이 총 4개소이며 이 구간들에 대해 하상에서 그라우팅을 수행하였다. 하저 그라우팅 작업개요는 Fig. 15와 같으며, 작업전경은 Fig. 16과 같다.

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Fig. 14.

Grouting locations above Han River

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Fig. 15.

Grouting works above water

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Fig. 16.

Grouting works on the Han River

4.2 육상부 지상 그라우팅

당 현장 육상구간에서 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI)를 위한 지반보강은 고압분사 그라우팅을 적용하였다. 상선 기준 총 8개소에서 고압분사 그라우팅을 실시하였으며 현황은 Fig. 17과 같다. 주요 구조물인 자유로, 제2자유로, 지층변화구간 통과 시에는 장비 후방에서의 유입될 수 있는 지하수 차단을 위해 저압 그라우팅도 병행하였으나 본 논문에서는 CHI를 위한 고압분사 그라우팅에 대해 기술하기로 한다. 주요 지층 구성은 풍화토, 모래자갈층, 점성토층, 매립층으로 구성되어 있으며, TBM 통과 지층은 풍화토, 모래자갈층이 대부분이다. 토피고는 터널 천단기준 약 14~26 m이며, 지하수위는 점성토층에 형성되어 있으며 터널 천단으로부터 약 9~20 m 이다. 점성토층의 N치는 5~17, 모래자갈층은 9~50, 풍화토 50 이상으로 나타나고 있다.

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Fig. 17.

Grouting locations at land for CHI

고압분사 공법은 초고압수(200~400 kg/cm2)를 이용해서 지반을 절삭 붕괴시킴과 동시에 Grout재를 혼합, 고결 시키는 일종의 치환주입공법으로서 Double Rod 선단에 Jetting Nozzle을 장착하여 경화재를 분사하면서 회전하게 하여 지반 중에 원주상의 고결체를 조성하는 공법이다(Fig. 18, Fig. 19). 공법의 특징으로는 토층 구성이나 토질에 의한 영향을 받지 않으며 필요 개소에 필요량의 경화재를 계획적으로 주입 할 수 있다. 보통의 주입공법으로는 주입이 곤란한 세립토 지반에도 적용이 가능하나 암반에서는 부적합하다. 토중에 인공적으로 절삭된 토립자와 경화재를 혼합, 충진하는 것이기 때문에 토립자 사이의 간극에 강제적으로 약액을 주입하는 보통의 약액주입공법처럼 인근의 건물이나 지하 매설물에 영향을 미치는 일이 거의 없다. 분사 에너지는 분사 노즐 부분에서 운동에너지로 변화되어 지반을 파쇄 시킨 후 곧바로 소멸되는 것으로써 설계 영역 이외의 지반에는 지반 융기 등의 영향을 미치지 않다. 또한 J.S.P 등 Jet Grouting 공법은 시공 시 상단이 open되어 있으므로 슬라임 배출이 용이하여 주변지반이 융기현상을 일으키지 않아서 인접 건물 또는 인접 지반에 피해를 주지 않는 특징을 가지고 있다.

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Fig. 18.

Jet grouting layout

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Fig. 19.

Jet grouting works on site

주입재 배합은 시멘트와 물의 양이 자동으로 이루어지는 장비를 사용하며, 물/시멘트 배합비는 1:1 (760 kg/m2)로 한다. 시공 후 효과 확인을 위해 coring을 채취하고 양생시간을 고려하여 최소 7일 후에 실시하였다(Fig. 20). 채취한 코어 시료에 대해 일축압축시험을 실시하여 주입 효과를 판단하였다. 기준 일축압축강도는 그라우팅 범위 검토 시 소요 강도를 고려하여 2 MPa로 설정하였다.

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Fig. 20.

Coring works after curing grout bulb

5. 그라우팅 수행결과

5.1 한강하상 그라우팅

하상구간에서 수행한 그라우팅의 결과는 Table 4Table 5와 같다. 하상 그라우팅 구간은 터널 단면이 전반적으로 풍화암으로 구성되어 있지만, 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI) 작업 중 풍화토 및 모래자갈층인 상부 지반의 이완으로 막장 불안정을 방지하기위해 수행하였다. 따라서 하상 그라우팅 적용으로 막장면 상부가 집중적으로 보강되었다.

Table 4.

Han River grouting summary (1st machine)

Location
Category
CHI 1 CHI 2 CHI 3 CHI 4 CHI-5
Grouting CTC (m) 0.8~1.2 0.6 0.6 0.6 0.6~1.2
Grouted soil layer Sand & Gravel /
WSa)
Sand & Gravel /
WS
Sand & Gravel /
WS
Sand & Gravel /
WS
Sand & Gravel /
WS
Major soil layer at tunnel WS & WRb) WS & WR WS & WR WS & WR WR & SRc)
CHI performed 0% → 100% 100% - 0% -
State of tunnel face Unstable at the
first phase
Stable Pass Unstable
(water inflow
with soil)
Pass

a) WS : Weathered Soil, b) WR : Weathered Rock, c) SR : Soft Rock

Table 5.

Han River grouting summary (2nd machine)

Location
Category
CHI 1 CHI 2 CHI 3 CHI 4
Grouting CTC (m) 0.8~1.2 0.6~1.2 0.6~1.2 0.6~1.2
Grouted soil layer Sand & Gravel / WSa) Sand & Gravel / WS Sand & Gravel / WS Sand & Gravel / WS
Major soil layer at tunnel WS & WRb) WS & WR WS & WR WR
CHI performed 50% 100% 0% -
State of tunnel face Partially stable
(water inflow)
Stable Unstable
(water inflow with soil)
Pass

a) WS : Weathered Soil, b) WR : Weathered Rock

그라우팅이 완료된 구간에서 CHI를 위해 막장면을 확인해 결과, 일부 구간에서는 안정적이었으나 불안정한 상태도 확인되었다. 디스크 커터를 교체하기 위해서는 작업이 가능한 위치로 조절을 해야 하므로 커터헤드 회전이 수반된다. 이에 따라 안정적으로 보이던 막장면에서도 상대적으로 취약한 지반(풍화암 상부층 또는 풍화토층)에서 교란이 발생되어 지하수 및 토사가 유입되면서 불안정한 상태로 변하기도 하였다. 그라우팅이 완료된 일부 구간에서는 CHI 수행이 불필요하다는 판단 하에 그라우팅 구간을 지나 굴진을 계속적으로 진행하기도 하였다. 또한 챔버 내 토사를 단계적으로 비우는 중 압력이 강하되지 않고 오르는 현상이 발생하여 챔버채움제(틱소겔)을 주입하여 CHI를 수행하지않고 굴진을 진행한 바 있다

하상 그라우팅 첫번째 구간(Section CHI 1, Fig. 17)에 장비 진입 후 CHI를 시도하였으나, 지하수 유입 및 막장 불안정으로 챔버 내 진입을 실패하였다. 이에 따라, 해당 구간에는 그라우팅을 3열 추가 시공하고, 보강 효과 증대를 위해 나머지 그라우팅 구간의 공간격을 1.2 m → 0.8 m로 조절하고, 물시멘트 비를 154% → 227%로 변경하여 적용하였다(Fig. 21, Fig. 22).

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Fig. 21.

Original version of river grouting

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Fig. 22.

Modified version of river grouting

5.2 육상부 지상그라우팅

육상구간에서 수행한 그라우팅 결과는 Table 6Table 7에 정리하였다. TBM 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI) 구간에서 고압 그라우팅을 수행하여 최소 7일의 양생기간이 지난 후에 코어채취 및 일축압축실험을 수행하였다. 전체적으로 일축압축강도는 소요 설계기준 강도(2 MPa)를 상회하여 강도측면에서의 보강 효과는 탁월하다는 것을 나타내고 있다. 다만, CHI를 수행하는 측면에서는 전 구간에서 CHI를 100% 수행한 것은 아니었다. CHI 생산성을 저하시키는 요인은 지반조건에 따른 그라우팅 상태(구근형성 상태), 지하수 유입여부라고 판단된다. 실제로 일부 구간에서는 구근형성이 막장전면에 고르게 분포하지 않았고, 커터 교체를 위한 커터헤드 인칭(회전) 시 막장이 교란되고 지하수 유입과 함께 막장전면 토사가 유입되는 상황이 발생하였다. 이에 따라 CHI 작업성이 저하되고 막장이 불안정하여 교체를 수행할 수 없었다. 이러한 상황이 발생되는 정도에 따라 CHI를 수행하지 못하거나(CHI 2 & CHI 5 구간) 절반정도(CHI 6 & CHI 7 구간)만 수행하는 구간이 발생하였다(Table 6, Table 7).

Table 6.

Grouting summary (location CHI 1~CHI 4)

Location
Category
CHI 1 CHI 2
(The 2nd Jayu-ro)
CHI 3
(The 2nd Jayu-ro)
CHI 4
Grouting CTC (m) 0.8 0.8 0.8 0.8
Grouted soil layer Sand & Gravel Sand & Gravel Sand & Gravel / WSa) Sand & Gravel / WS
Major soil layer at tunnel Sand & Gravel Sand & Gravel WS WS
UCSb) (MPa) 6.1~8.5 6.1~28.0 15.5~38.5 16.8~34.9
CHI performed 100% 0% 100% 100%
State of tunnel face Stable Unstable
(water inflow with soil)
Stable Stable

a) WS : Weathered Soil, b) UCS : Uniaxial Compressive Strength for grouted core

Table 7.

Grouting summary (location CHI 5~CHI 8)

Location
Category
CHI 5 CHI 6
(Jayu-ro)
CHI 7
(Jayu-ro)
CHI 8
(transition zone)
Grouting CTC (m) 0.8 0.8 0.8~2.0 0.5
Grouted soil layer Sand & Gravel / WSa) Sand & Gravel / WS Sand & Gravel / WS Clay, Sand & Gravel
WS / WRb)
Major soil layer at tunnel WS WS WS WS
UCSc) (MPa) 6.1~8.5 6.1~28.0 15.5~38.5 16.8~34.9
CHI performed 0% 50% 50% 100%
State of tunnel face Unstable
(water inflow with soil)
Partially stable
(water inflow)
Partially stable
(water inflow)
Stable

a) WS : Weathered Soil, b) WR : Weathered Rock, c) UCS : Uniaxial Compressive Strength for grouted core

막장의 그라우팅 상태는 지반 조건에 따라 상이하다고 판단되며, 회수된 코어 시료 박스를 통해 간접적으로 확인할 수 있다. 그리고 실제 막장에서 CHI 수행 전 육안 확인이 가능하다(Fig. 23). 실제로 챔버 내부에서 막장을 육안으로 확인하면, 그라우팅 구간 진입(굴진) 시 지반이 교란되었거나, CHI를 위해 커터헤드를 인칭(회전) 하면서 막장의 상태가 변한 것을 추정할 수 있다. 또한, 지반조건, 시공성 등의 영향으로 그라우팅 구근이 일정한 간격으로 형성되지 않는 등 채취된 시료박스의 코어 상태로 확인하지 못하는 사항들이 나타났다.

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Fig. 23.

Verification of grouting works

CHI 2 구간은 터널 막장면은 모래자갈층 구간으로 투수성이 높고 호박돌 등이 분포하여 그라우트재가 일부 유실되거나 절삭이 안되어 구근이 완벽하게 형성되지 않은 것으로 판단된다. 막장에서 지하수 유입과 함께 토사 쓸려 나오면서 막장 상태가 불안정하여 CHI를 수행할 수 없었다.

CHI 5, 6, 7 구간은 터널 막장면은 풍화토 구간으로써의 경우 N치가 50 이상으로 조밀한 상태이다. 이 경우 그라우팅을 수행 시 절삭이 용이하지 않아 계획한 CTC만큼 시멘트 구근이 형성되지 않는 것으로 판단된다. 또한, 상기 언급한 굴진 시/커터헤드 인칭 시 교란으로 지반이 다소 연약화 된 상태에서 지하수유입이 발생하여 CHI를 완벽하게 수행할 수 없었다.

6. 고찰 및 제언(Lessons Learned)

TBM 굴진 중 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI)를 위해 육상 및 하상 그라우팅을 수행하였다. 각 그라우팅 구간 내에서 CHI를 성공적으로 수행한 구간이 있었던 반면, 막장상태가 불안정하여 계획된 CHI를 100% 수행하지 못한 구간도 있었다. 육상/하상, 고압/저압 및 다양한 지반조건 등 그라우팅을 수행한 결과에 대한 고찰 및 제언(Lessons Learned)은 아래와 같다.

하상그라우팅(저압) 구간에서는 첫번째 보강구간에 진입하여 커터 교체를 시도하였으나 막장 불안정(지하수 유입 및 토사 유실)로인해 챔버를 닫고 추가 보강을 실시하였다. 3열 추가 보강 시 TBM 커터헤드에 인접하여 그라우팅이 주입되면서 해당 압력이 TBM 장비에 전달되어 챔버 내 압력이 장비의 한계압력(5.5 bar)까지 도달하기도 하였다. 이에 따라 그라우팅 주입을 연속적으로 실시하지 못하고 추가 그라우팅 시공에 상당한 시간이 소요되기도 하였다. 첫번째 그라우팅 보강 구간에서 CHI 실패 후 전체 하상구간의 공간격을 1.2 m에서 0.8 m로 변경하였으며, 물시멘트비를 154%에서 227%로 변경 주입하여 지반 보강을 수행하였으며 추후 유사 현장에서는 해당 설계치를 참고할 수 있을 것으로 판단된다.

육상 그라우팅(고압)으로 얻은 교훈은 다음과 같다.

풍화토 지반은 원지반 자체가 조밀하고 투수성도 낮은 편이므로 고압분사 시 절삭이 용이하지 않아 구근직경이 예상보다 작을 수 있다고 판단된다. 따라서 이런 경우 시험시공을 통해 공간격을 축소하여 시공하는 것이 효과적이라고 판단되나 공사비와 공기가 늘어나는 요인으로 종합적으로 판단하여 결정할 필요가 있다고 생각된다. 대안으로 3.2절에서 설명한 방법을 고려, 막장전면 풍화토 보강 대신 상부 토사층의 보강영역을 수직으로 확대하여 유효토압을 감소시키는 방법을 고려할 수 있다(Fig. 24(a)). 또한, TBM 장비와 지반사이의 교란된 부분을 TBM 장비 내부 주입홀을 통하여 PU (폴리우레탄, Polyurethane) 주입으로 교란된 부분을 채운다면 장비 후방으로부터의 지하수 유입을 차단하여 원할한 CHI를 수행할 수 있을 것이라 판단된다.

퇴적모래자갈층은 투수계수가 풍화토에 비해 상대적으로 높아 지하수 흐름에 민감하다. 즉, 그라우트재 주입 시 주입재가 유실될 가능성이 상대적으로 크다. 또한, 자갈이 많고 호박돌이 섞여 있으면 고압 분사 시 절삭이 어려울 수 있다. 고압분사로 절삭 치환된 그라우팅 구근이 충분한 강도가 발현될 것이나 구근이 밀실하게 형성되지 않을 가능성이 있으므로 보완이 필요하다. 따라서 이러한 경우를 대비하여 Fig. 24(b)와 같이 기존 고압그라우팅 구근 사이에 저압 그라우팅을 추가한다면 구근사이 결손부위에 주입재가 침투하여 지하수 유입 차단 효과 및 강도증진 효과를 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.

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Fig. 24.

Suggested grouting for TBM in (a) Weathered soil (b) Sand & Gravel

종합적으로 한강하상 및 육상부 지상그라우팅 수행결과 및 고찰을 통해 고려해야할 사항들을 정리하면 Table 8과 같다. 한강에서의 그라우팅은 1) 주입재 선정, 2) 그라우팅 간격 및 범위(시험시공, 시행착오), 3) 물시멘트비 조절을 통한 주입율 개선(시험시공)에 대한 고려가 필요하다. 지상에서의 그라우팅은 고압분사그라우팅이 효과적이며 다음과 같은 사항 - 1) 풍화토 대신 상부 토사보강확대(유효하중 저감), 2) 교란된 지반에 Poly-urethane 주입(후방 지하수 유입 차단), 3) 그라우팅 구근 사이에 추가 저압그라우팅 수행(그라우팅 구근 보완 및 지하수유입차단)을 고려해야할 것으로 판단된다.

Table 8.

Considerations before pre-grouting

Permeation grouting (above water, river) Jet grouting
Grout material (water contamination concerns) Extension of grouting depth to sand & gravel
Instead of grouting weathered soil
Grouting spacing and block size Poly-urethane injection for disturbed area due to TBM advance
Water cement ratio (for improvement of injection rate) Additional permeation grouting between jet grouting bulbs

7. 결 론

TBM 굴진 중 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI)를 수행하기 위해서는 챔버압을 제거해야 하므로 막장자립이 필수적이다. 막장 자립성을 확보하기 위해 그라우팅을 일반적으로 수행하고 있으며, TBM 장비내부에서 하는 갱내그라우팅 보다는 지상 또는 하상에서 수행하는 수직 그라우팅이 효과적이다. 실제 지상 및 하상 그라우팅을 수행한 결과, CHI를 수행하기 위해 효과적인 것은 분명하나 지반여건, 공법 등에 따라 CHI 생산성에 영향을 주었다. 그라우팅 수행 결과에 대한 고찰 및 제언(Lessons Learned)은 다음과 같으며, 향후 유사 TBM 프로젝트에서 그라우팅 설계, 시공 및 품질 관리를 위한 참고자료가 될 것으로 기대된다.

1. 한강하저 그라우팅(저압) 수행 결과, 주입재는 한강 환경영향을 최소화하기 위해 용탈이 적은 수중불분리 재료가 적합할 것으로 판단된다.

2. 디스크 커터를 교체하기 위해서는 작업이 가능한 위치로 조절을 해야 하므로 커터헤드 회전이 수반된다. 이에 따라 안정적으로 보이던 막장면에서도 커터헤드 회전으로 교란이 발생되어 지하수 및 토사가 유입되면서 불안정한 상태로 변하기도 하였다. 따라서 그라우팅을 막장전면에 추가 시공을 하고 공간격 축소(1.2 m → 0.8 m) 및 물시멘트비 증가(154% → 227%)를 통해 그라우팅 효과를 증대하였다. 추후 유사 현장에서는 해당 설계치를 참고할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 육상 그라우팅(고압) 수행 결과, 구근의 일축압축강도를 확인하였으며 강도 보강 효과는 탁월하다고 판단하였다. 다만, 코어링 채취 및 TBM 챔버 내부에서 육안으로 막장 상태를 확인한 결과, 지반조건에 따라 보강 영역에 대한 그라우팅의 건전성은 상이함을 확인할 수 있었다. 이러한 현장경험을 토대로 향후 개선된 그라우팅 안을 결정하기 위해 다음과 같은 교훈을 얻을 수 있었다.

4. 풍화토 지반의 경우, 단단한 자체 강성을 이용하여 풍화토 지반보다는 상부 토사층의 수직보강범위를 증가시키고 후방으로부터의 지하수 유입을 차단하기 위해 장비 내부에서 폴리우레탄 주입으로 교란된 부분을 채운다면 원활한 CHI를 수행할 수 있을 것이라 판단된다.

5. 모래자갈층은 주입재 유실 또는 호박돌 등 직경이 큰 자갈 영향으로 그라우팅 구근이 밀실하게 형성되지 않을 수 있다. 이러한 경우를 대비하여 기존 고압그라우팅 구근 사이에 저압 그라우팅을 추가한다면 구근사이 결손부위에 주입재가 침투하여 지하수 유입 차단 효과 및 강도증진 효과를 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 대곡-소사 복선전철 민간투자시설사업의 일환으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

저자 기여도

강성욱은 논문 개념 및 설계를 하였고, 장재훈과 이재원은 원고 작성, 데이터 수집 및 분석을 하였고, 김대영과 신영진은 데이터 분석 및 원고 검토를 하였다.

References

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2
Jeong, H., Zhang, N., Jeon, S. (2018), “Review of technical issues for shield TBM tunneling in difficult grounds”, Tunnel and Underground Space, Vol. 28, No. 1, pp. 1-24.
3
Yoon, Y., Jeong, H., Jeon, S. (2018), “Review of pre-grouting methods for shield TBM tunneling in difficult grounds”, Tunnel and Underground Space, Vol. 28, No. 6, pp. 528-546.
4
Zizka, Z., Thewes, M. (2016), Recommendations for face support pressure calculations for shield tunneling in soft ground, DAUB, Version 10.
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